Gli scienziati del MIT e dell'Università del Texas ad Arlington (UTA) hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopia in grado di visualizzare le cellule attraverso un wafer di silicio, consentendo loro di misurare con precisione le dimensioni e il comportamento meccanico delle celle dietro il wafer.

La nuova tecnologia, che si basa sulla luce del vicino infrarosso, potrebbe aiutare gli scienziati a saperne di più sulle cellule malate o infette mentre scorrono attraverso dispositivi microfluidici al silicio.

"Questo ha il potenziale per unire la ricerca sulla visualizzazione cellulare con tutte le cose eccitanti che puoi fare su un wafer di silicio, "dice Ishan Barman, un ex postdoc nel Laser Biomedical Research Center (LBRC) del MIT e uno degli autori principali di un articolo che descrive la tecnologia nel numero del 2 ottobre della rivista Rapporti scientifici .

Altri autori principali del documento sono l'ex postdoc del MIT Narahara Chari Dingari e gli studenti laureati dell'UTA Bipin Joshi e Nelson Cardenas. L'autore senior è Samarendra Mohanty, un assistente professore di fisica all'UTA. Altri autori sono l'ex postdoc del MIT Jaqueline Soares, attualmente assistente professore presso l'Università Federale di Ouro Preto, Brasile, e Ramachandra Rao Dasari, direttore associato della LBRC.

Il silicio è comunemente usato per costruire dispositivi microfluidici "lab-on-a-chip", che può ordinare e analizzare le cellule in base alle loro proprietà molecolari, così come i dispositivi di microelettronica. Tali dispositivi hanno molte potenziali applicazioni nella ricerca e nella diagnostica, ma potrebbero essere ancora più utili se gli scienziati potessero visualizzare le cellule all'interno dei dispositivi, dice Barman, che ora è assistente professore di ingegneria meccanica alla Johns Hopkins University.

Per ottenere ciò, Barman e colleghi hanno approfittato del fatto che il silicio è trasparente alle lunghezze d'onda della luce nell'infrarosso e nel vicino infrarosso. Hanno adattato una tecnica di microscopia nota come imaging di fase quantitativa, che funziona inviando un raggio laser attraverso un campione, quindi dividere il raggio in due. Ricombinando questi due fasci e confrontando le informazioni trasportate da ciascuno, i ricercatori possono determinare l'altezza del campione e il suo indice di rifrazione, una misura di quanto il materiale forza la luce a piegarsi durante il suo passaggio.

L'imaging di fase quantitativa tradizionale utilizza un laser al neon ad elio, che produce luce visibile, ma per il nuovo sistema i ricercatori hanno utilizzato un laser zaffiro al titanio che può essere sintonizzato sulle lunghezze d'onda dell'infrarosso e del vicino infrarosso. Per questo studio, i ricercatori hanno scoperto che la luce con una lunghezza d'onda di 980 nanometri funzionava meglio.

Utilizzando questo sistema, i ricercatori hanno misurato i cambiamenti nell'altezza dei globuli rossi, con sensibilità su scala nanometrica, attraverso un wafer di silicio simile a quelli utilizzati nella maggior parte dei laboratori di elettronica.

Mentre i globuli rossi fluiscono attraverso il corpo, spesso devono infilarsi in vasi molto stretti. Quando queste cellule sono infettate dalla malaria, perdono questa capacità di deformarsi, e formare zoccoli in minuscoli vasi. La nuova tecnica di microscopia potrebbe aiutare gli scienziati a studiare come ciò avvenga, dice Dingari; potrebbe anche essere usato per studiare la dinamica dei globuli malformati che causano l'anemia falciforme.

I ricercatori hanno anche usato il loro nuovo sistema per monitorare le cellule renali embrionali umane man mano che l'acqua pura veniva aggiunta al loro ambiente, uno shock che costringe le cellule ad assorbire acqua e gonfiarsi. I ricercatori sono stati in grado di misurare quanto le cellule si sono dilatate e calcolare la variazione del loro indice di rifrazione.

"Nessuno ha mostrato questo tipo di microscopia delle strutture cellulari prima attraverso un substrato di silicio, " dice Mohanty.

"Questa è una nuova entusiasmante direzione che probabilmente aprirà enormi opportunità per l'imaging di fase quantitativa, "dice Gabriel Popescu, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che non faceva parte del gruppo di ricerca.

"Le possibilità sono infinite:dai dispositivi micro e nanofluidici ai substrati strutturati, i dispositivi potrebbero mirare ad applicazioni che vanno dal rilevamento molecolare alla caratterizzazione di cellule intere e allo screening di farmaci nelle popolazioni cellulari, "dice Popescu.

Il laboratorio di Mohanty all'UTA sta ora utilizzando il sistema per studiare come i neuroni cresciuti su un wafer di silicio comunicano tra loro.

Nel Rapporti scientifici carta, i ricercatori hanno utilizzato wafer di silicio con uno spessore di circa 150-200 micron, ma da allora hanno dimostrato che si può usare silicio più spesso se la lunghezza d'onda della luce viene aumentata nella gamma dell'infrarosso. I ricercatori stanno anche lavorando per modificare il sistema in modo che possa visualizzare in tre dimensioni, simile a una TAC.

La ricerca è stata finanziata dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering and Nanoscope Technologies, LLC.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.