Gli scienziati dell'Università del Texas ad Austin hanno dimostrato un metodo per realizzare immagini tridimensionali di strutture in materiale biologico in condizioni naturali a una risoluzione molto più elevata rispetto ad altri metodi esistenti. Il metodo può aiutare a far luce su come le cellule comunicano tra loro e fornire importanti spunti agli ingegneri che lavorano per sviluppare organi artificiali come la pelle o il tessuto cardiaco.

La ricerca è descritta oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Gli scienziati, guidato dal fisico Ernst-Ludwig Florin, hanno usato il loro metodo, chiamato imaging termico del rumore, per catturare immagini su scala nanometrica di reti di fibrille di collagene, che fanno parte del tessuto connettivo presente nella pelle degli animali. Un nanometro è un miliardesimo di metro o circa un centesimo millesimo della larghezza di un capello umano. L'esame delle fibrille di collagene su questa scala ha permesso agli scienziati di misurare per la prima volta le proprietà chiave che influenzano l'elasticità della pelle, qualcosa che potrebbe portare a progetti migliori per la pelle o i tessuti artificiali.

Acquisire immagini nitide in 3D di strutture su nanoscala in campioni biologici è estremamente difficile, in parte perché tendono ad essere morbidi e bagnati di liquido. Ciò significa che piccole fluttuazioni di calore fanno muovere le strutture avanti e indietro, un effetto noto come moto browniano.

Per superare la sfocatura che questo crea, altre tecniche di imaging a super risoluzione spesso "aggiustano" campioni biologici aggiungendo sostanze chimiche che irrigidiscono varie strutture, in quale caso, i materiali perdono le loro proprietà meccaniche naturali. Gli scienziati a volte possono superare la sfocatura senza fissare i campioni se, Per esempio, si concentrano su strutture rigide incollate su una superficie di vetro, ma ciò limita fortemente i tipi di strutture e configurazioni che possono studiare.

Florin e il suo team hanno adottato un approccio diverso. Per fare un'immagine, aggiungono nanosfere - perline di dimensioni nanometriche che riflettono la luce laser - ai loro campioni biologici in condizioni naturali, puntare un laser sul campione e compilare istantanee superveloci delle nanosfere viste attraverso un microscopio ottico.

Gli scienziati spiegano che il metodo, imaging termico del rumore, funziona qualcosa come questa analogia:immagina di aver bisogno di prendere un'immagine tridimensionale di una stanza nella totale oscurità. Se dovessi lanciare una palla di gomma luminosa nella stanza e utilizzare una fotocamera per raccogliere una serie di immagini ad alta velocità della palla mentre rimbalza, vedresti che mentre la palla si muove per la stanza, non è in grado di muoversi attraverso oggetti solidi come tavoli e sedie. Combinando milioni di immagini scattate così velocemente da non sfocarsi, saresti in grado di costruire un'immagine di dove ci sono oggetti (dove la palla non potrebbe andare) e dove non ci sono oggetti (dove potrebbe andare).

Nell'imaging termico del rumore, l'equivalente della palla di gomma è una nanosfera che si muove all'interno di un campione per moto browniano naturale - la stessa forza indisciplinata che ha tormentato altri metodi di microscopia.

"Questo dimenarsi caotico è un fastidio per la maggior parte delle tecniche di microscopia perché rende tutto sfocato, " dice Florin. "L'abbiamo girato a nostro vantaggio. Non abbiamo bisogno di costruire un meccanismo complicato per spostare la nostra sonda. Ci sediamo e lasciamo che la natura lo faccia per noi".

Il concetto originale per la tecnica di imaging del rumore termico è stato pubblicato e brevettato nel 2001, ma le sfide tecniche ne hanno impedito lo sviluppo in un processo pienamente funzionante fino ad ora.

Lo strumento ha permesso ai ricercatori di misurare per la prima volta le proprietà meccaniche delle fibrille di collagene in una rete. Il collagene è un biopolimero che forma impalcature per le cellule della pelle e contribuisce all'elasticità della pelle. Gli scienziati non sono ancora sicuri di come l'architettura di una rete di collagene determini la sua elasticità, una domanda importante che deve essere risolta per la progettazione razionale della pelle artificiale.

"Se vuoi costruire una pelle artificiale, devi capire come funzionano i componenti naturali, " dice Florin. "Potresti quindi progettare meglio una rete di collagene che funga da impalcatura che incoraggi le cellule a crescere nel modo giusto".