Credito:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Combinando due metodi di microscopia, i ricercatori dell'EPFL sono in grado di vedere cosa sta accadendo all'interno di una cellula e sulla sua membrana contemporaneamente, fornendo una visione senza precedenti dei processi cellulari che si verificano durante l'infezione, ad esempio.
Le cellule sono la componente fondamentale degli organismi viventi e ospitano una serie di complessi fenomeni biologici. I ricercatori devono essere in grado di studiare questi fenomeni in dettaglio per comprendere alcuni tipi di disturbi e malattie e quindi sviluppare trattamenti efficaci. Ma l'osservazione efficace delle cellule viventi su scala micro o nanometrica rimane una sfida. Combinando due diversi metodi di microscopia, i ricercatori dell'EPFL di due diversi laboratori hanno sviluppato congiuntamente un sistema che può essere utilizzato per osservare le cellule viventi in azione con una precisione senza precedenti. Le loro scoperte compaiono in due articoli:uno pubblicato su Nature Communications a luglio e l'altro pubblicato oggi su ACS Nano .
"I metodi attualmente disponibili presentano molte sfide tecniche per osservare le cellule vive a un livello così granulare", afferma Georg Fantner, capo del Laboratorio di bio e nanostrumentazione (LBNI) dell'EPFL. "Tecniche come la microscopia elettronica consentono una risoluzione impareggiabile della superficie cellulare su scala nanometrica, ma richiedono il posizionamento dei campioni sotto vuoto e il bombardamento di elettroni. Gli organismi viventi semplicemente non possono sopravvivere a quel tipo di trattamento. Un altro metodo comune è la microscopia a fluorescenza. Anche se consente osservi i campioni senza distruggerli, avere una risoluzione sufficiente per risolvere la superficie tridimensionale della cellula è difficile. Inoltre, la dose di fotoni richiesta può causare danni cellulari."
I ricercatori dell'EPFL, quindi, hanno deciso di combinare due microscopie complementari per osservare la superficie cellulare e l'attività molecolare al suo interno, che sono minimamente invasive per le cellule vive. Hanno accoppiato l'imaging a fluttuazione ottica stocastica (SOFI), che può essere utilizzato per visualizzare molecole mirate e fenomeni che si verificano all'interno delle cellule, con la microscopia a sonda a scansione (o, più specificamente, la microscopia a conduttanza ionica a scansione - SICM). La microscopia della sonda a scansione generalmente comporta il contatto di un campione cellulare direttamente con la punta della sonda per rivelarne la superficie e mapparne la topografia. Tuttavia, il contatto meccanico tra il campione e la punta è dannoso per l'osservazione delle cellule vive perché disturba lo stato nativo delle cellule. Il team dell'EPFL, quindi, ha sviluppato un microscopio in cui la sonda fisica è sostituita da un nanoporo di vetro che misura il flusso di ioni per rilevare la superficie cellulare senza contatto.
Si tratta di interazione
La combinazione di questi due metodi apre la strada a osservazioni scientifiche senza precedenti. Mentre la microscopia a fluorescenza offre ai ricercatori una sbirciatina all'interno delle singole cellule, la microscopia a conduttanza ionica a scansione consente loro di generare immagini topografiche 3D delle membrane cellulari. Il sistema EPFL consente quindi ai ricercatori di visualizzare contemporaneamente l'interno e l'esterno delle cellule, fornendo loro preziose informazioni sui collegamenti tra i fenomeni che si verificano contemporaneamente in questi due luoghi diversi.
"La membrana di una cellula è il luogo in cui interagisce con l'ambiente circostante", afferma Samuel Mendes Leitão, un dottorato di ricerca. studente presso LBNI che ha sviluppato il microscopio SICM. "È qui che si verificano molti processi biologici e cambiamenti morfologici, come durante l'infezione cellulare. Il nostro sistema consente ai ricercatori di analizzare le disposizioni molecolari all'interno della cellula e mappare come si correlano con la dinamica della membrana. Inoltre, ora possiamo tracciare queste dinamiche in grande dettaglio per il tempo intervalli da meno di secondi a giorni. Essere in grado di acquisire immagini in modo continuo su scala nanometrica per lunghi periodi è una delle sfide principali nella microscopia a cellule vive, poiché le cellule sono molto sensibili a piccole perturbazioni.".
Qualità dell'immagine migliorata
Vytautas Navikas, un dottorato di ricerca. studente presso il Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN) dell'EPFL, ha sviluppato i componenti ottici del sistema:"Un altro vantaggio della combinazione dei due metodi è che migliora incredibilmente la qualità dell'immagine. Ora possiamo osservare i processi cellulari con una risoluzione molto maggiore".
Il team dell'EPFL ritiene che il loro sistema, che può essere utilizzato per osservare fenomeni come la motilità cellulare, la differenziazione e la comunicazione cellula-cellula, apra molte nuove strade di ricerca. Potrebbe essere estremamente utile nella biologia delle infezioni, nell'immunologia e nella neurobiologia, campi in cui è importante capire come una cellula reagisce in tempo reale a uno stimolo esterno.
Questo studio è anche un buon esempio del tipo di svolta che può verificarsi quando i ricercatori di due diversi laboratori EPFL entrano in contatto e uniscono le loro competenze nel perseguimento di un obiettivo comune. + Esplora ulteriormente
