Dalla prima descrizione di Robert Hooke di una cellula in Micrographia 350 anni fa, la microscopia ha svolto un ruolo importante nella comprensione delle regole della vita.

Però, la più piccola caratteristica risolvibile, la risoluzione, è limitato dalla natura ondulatoria della luce. Questa barriera secolare ha limitato la comprensione delle funzioni cellulari, interazioni e dinamiche, in particolare su scala da sub-micron a nanometrica.

La microscopia a fluorescenza a super risoluzione supera questo limite fondamentale, offrendo un miglioramento fino a dieci volte della risoluzione, e consente agli scienziati di visualizzare il funzionamento interno di cellule e biomolecole con una risoluzione spaziale senza precedenti.

Tale capacità risolutiva è ostacolata, però, quando si osservano campioni di cellule intere o di tessuto, come quelli spesso analizzati durante gli studi sul cancro o sul cervello. Segnali luminosi, emessa da molecole all'interno di un campione, viaggiano attraverso diverse parti delle strutture cellulari o tissutali a velocità diverse e provocano aberrazioni, che deteriorerà l'immagine.

Ora, I ricercatori della Purdue University hanno sviluppato una nuova tecnologia per superare questa sfida.

"La nostra tecnologia ci consente di misurare le distorsioni del fronte d'onda indotte dal campione, una cellula o un tessuto, direttamente dai segnali generati dalle singole molecole:minuscole sorgenti luminose attaccate alle strutture cellulari di interesse, " disse Fang Huang, un assistente professore di ingegneria biomedica presso il College of Engineering di Purdue. "Conoscendo la distorsione indotta, possiamo individuare le posizioni delle singole molecole con alta precisione e accuratezza. Otteniamo da migliaia a milioni di coordinate di singole molecole all'interno di un volume cellulare o tissutale e usiamo queste coordinate per rivelare le architetture su nanoscala dei costituenti dei campioni".

La tecnologia del team Purdue è stata recentemente pubblicata su Metodi della natura .

"Durante l'imaging tridimensionale in super-risoluzione, registriamo da migliaia a milioni di modelli di emissione di singole molecole fluorescenti, " ha detto Fan Xu, un associato post-dottorato nel laboratorio di Huang e co-primo autore della pubblicazione. "Questi modelli di emissione possono essere considerati come osservazioni casuali in varie posizioni assiali campionate dalla funzione di diffusione del punto 3D sottostante che descrive le forme di questi modelli di emissione a diverse profondità, che ci proponiamo di recuperare. La nostra tecnologia utilizza due passaggi:assegnazione e aggiornamento, per recuperare in modo iterativo la distorsione del fronte d'onda e le risposte 3D dal set di dati registrato a singola molecola contenente modelli di emissione di molecole in posizioni arbitrarie".

La tecnologia Purdue permette di trovare le posizioni delle biomolecole con una precisione fino a pochi nanometri all'interno di intere cellule e tessuti e quindi, risoluzione di architetture cellulari e tissutali con alta risoluzione e fedeltà.

"Questo progresso amplia l'applicabilità di routine della microscopia a super risoluzione da bersagli cellulari selezionati vicino ai vetrini coprioggetto a bersagli intra ed extracellulari all'interno dei tessuti, " ha detto Donghan Ma, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Huang e co-primo autore della pubblicazione. "Questa ritrovata capacità di visualizzazione potrebbe consentire una migliore comprensione delle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, e molte altre malattie che colpiscono il cervello e varie parti all'interno del corpo."

Il National Institutes of Health ha fornito un importante supporto per la ricerca.

Altri membri del gruppo di ricerca includono Gary Landreth, un professore della School of Medicine dell'Università dell'Indiana; Sara Calve, professore associato di ingegneria biomedica presso il Purdue's College of Engineering (attualmente professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università del Colorado Boulder); Peng Yin, un professore della Harvard Medical School; e Alexander Chubykin, un assistente professore di scienze biologiche a Purdue. L'elenco completo degli autori è disponibile in Metodi della natura .

"Questo progresso tecnico è sorprendente e cambierà radicalmente la precisione con cui valutiamo le caratteristiche patologiche del morbo di Alzheimer, " Landreth ha detto. "Siamo in grado di vedere oggetti sempre più piccoli e le loro interazioni tra loro, che aiuta a rivelare complessità strutturali che non abbiamo apprezzato prima."

Calve ha affermato che la tecnologia è un passo avanti nelle terapie rigenerative per aiutare a promuovere la riparazione all'interno del corpo.

"Questo sviluppo è fondamentale per comprendere la biologia dei tessuti ed essere in grado di visualizzare i cambiamenti strutturali, " ha detto Calvo.

Chubykin, il cui laboratorio si occupa di autismo e malattie che colpiscono il cervello, ha affermato che la tecnologia di imaging ad alta risoluzione fornisce un nuovo metodo per comprendere le menomazioni nel cervello.

"Si tratta di un enorme passo avanti in termini di analisi funzionali e strutturali, " Chubykin ha detto. "Possiamo vedere una visione molto più dettagliata del cervello e persino contrassegnare neuroni specifici con strumenti genetici per ulteriori studi".

Il team ha lavorato con l'Ufficio per la commercializzazione della tecnologia della Purdue Research Foundation per brevettare la tecnologia. L'ufficio si è recentemente trasferito nel Centro di convergenza per l'innovazione e la collaborazione nel Discovery Park District, adiacente al campus di Purdue.