Imaging di materiali molto piccoli richiede non solo una grande abilità da parte del microscopista, ma anche grandi strumenti e tecniche. Per uno sguardo microscopico raffinato sui materiali biologici, le sfide includono ottenere un'immagine priva di "rumore, "l'interferenza che può essere causata da un certo numero di elementi, compresa l'area circostante un elemento. etichette, coloranti, o macchie che vengono aggiunte per vedere l'oggetto più chiaramente possono anche presentare problemi in quanto possono influenzare l'oggetto che deve essere scansionato in modi imprevisti, danneggiando o addirittura uccidendo i materiali biologici.

Guardare i microtubuli è un esempio interessante. La struttura tubolare cava funge da spina dorsale delle cellule e aiuta a trasportare i materiali nella cellula. I microtubuli malfunzionanti sono stati associati a varie malattie tra cui il cancro e il morbo di Alzheimer.

Capire come funzionano i microtubuli potrebbe essere un passo importante nella comprensione della progressione della malattia. Però, studiando un singolo microtubulo dinamico, che misura 24 nanometri di diametro, e fino a 10 micron di lunghezza, non è un compito facile.

I ricercatori del Quantitative Light Imaging Laboratory presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Università dell'Illinois sono stati in grado di utilizzare la microscopia a interferenza luminosa spaziale (SLIM) senza etichetta e l'elaborazione al computer per visualizzare i microtubuli in un test. Lo studio, "Imaging senza etichetta della dinamica dei singoli microtubuli utilizzando la microscopia a interferenza luminosa spaziale, " è stato recentemente pubblicato in ACS Nano .

Essere in grado di vedere i microtubuli senza l'uso di coloranti o macchie è un contributo importante.

"L'aspetto senza etichetta è il principale passo avanti secondo me, " ha detto Gabriel Popescu, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, e membro del Bioimaging Science and Technology Group di Beckman. Popescu è l'autore senior dello studio.

"Ci sono stati altri sforzi per rendere questa etichetta priva di etichette, è una classe di sfide molto importante. Le tecniche attuali producono campi visivi più piccoli, e il contrasto dell'immagine non è così buono."

Misurando la quantità di luce ritardata attraverso il campione in tutti i punti del campo visivo, i ricercatori sono in grado di trovare la mappa della lunghezza del percorso ottico per il campione. Questa lunghezza del percorso ottico, o informazione di fase, si riferisce all'indice di rifrazione e allo spessore di un campione, consentendo studi dettagliati sulla struttura e la dinamica delle cellule.

"Lo strumento fornisce una sfocatura dell'immagine che è molto più grande della dimensione del microtubulo, " spiega Popescu. "Quindi è come se si diffamassero i valori di quel ritardo di fase. Ma dal momento che abbiamo il nostro sistema molto bene, siamo in grado di eseguirne il backup e ottenere un valore indice efficace per il microtubulo, che è corretto."

L'elaborazione numerica utilizzata fornisce la sensibilità non solo per vedere i tubuli, ma viene anche utilizzata per misurare la diffusione della luce.

"Un punto chiave della fisica è che una volta che conosci sia l'intensità che la fase della luce, quindi puoi elaborare numericamente quell'informazione e propagare virtualmente la luce ovunque nello spazio, anche su un piano lontano dal microtubulo, per studiare la luce diffusa, ", ha detto Popescu.

I precedenti sforzi per l'imaging delle strutture minuscole hanno utilizzato l'immunofluorescenza, iniettare anticorpi in coloranti fluorescenti per vedere chiaramente la cellula come funziona. Però, la fluorescenza può influenzare la funzione cellulare e il periodo di tempo in cui la cellula può essere visualizzata.

"Li abbiamo immaginati per un periodo di tempo molto lungo, non due o tre minuti, ma più come otto ore, "ha detto Mikhail Kandel, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica e autore principale dello studio. "Le persone sono interessate ai tassi metabolici delle proteine ​​che camminano sui microtubuli e abbiamo mostrato come è possibile osservare la decelerazione di queste proteine, che equivale a monitorare il consumo della loro fonte di carburante."

"Potresti potenzialmente capire il consumo di ATP e le caratteristiche di motilità delle proteine, che sono molto interessanti".

I ricercatori Beckman hanno lavorato con Paul Selvin, professore di fisica.

"Questo è appena uscito da una discussione con il gruppo di Paul Selvin, che studiano da tempo i microtubuli utilizzando metodi tradizionali di fluorescenza, " ha detto Popescu. "Mikhail è entrato in contatto con i suoi studenti e hanno detto, Proviamolo. Vederli con altri tipi di fluorescenza è un grande miglioramento perché puoi praticamente immaginarli per sempre".

"Il mio gruppo è interessato a vedere come le proteine ​​si muovono sopra e intorno ai microtubuli, "disse Selvin, uno degli autori dello studio. "Questa nuova tecnica non solo ci consente di avere un'idea di come funzioneranno le cellule nel tempo, ma aumenta anche la possibilità di imaging in vivo delle cellule".

SLIM è un prodotto fabbricato commercialmente che può adattarsi all'aggiornamento di qualsiasi microscopio, dicono i ricercatori. Ciò consente ai biologi di utilizzare altre tecniche di microscopia, compresa la fluorescenza, oltre a SOTTILE. Il prodotto SLIM è disponibile tramite Phi Optics, una società fondata da Popescu.

"Una delle maggiori sfide nell'interferometria è la sensibilità, che risente drasticamente del rumore ambientale, Per esempio, vibrazioni o fluttuazioni dell'aria. Ma con la particolare geometria stabile utilizzata in SLIM, possiamo effettivamente raggiungere un'incredibile sensibilità in frazioni di nanometri, ", ha detto Popescu.

I ricercatori hanno in programma di spingere i confini sulle cellule di imaging, si spera che l'imaging dei microtubuli nelle cellule vive.

"Se riusciamo a spingerlo in una cellula vivente, sarebbe una vera svolta, " ha detto Popescu. "Prevediamo grandi sfide a causa del background che esiste nelle cellule. Incoraggiato da questi risultati, stiamo pensando che un giorno potremmo essere in grado di avere una tale sensibilità per vedere gli sfasamenti delle singole molecole.

"Non ci siamo ancora, ma si può sognare."