211service.com
Esaminare le cellule vive con una risoluzione su scala nanometrica
Un microscopio ottico 3-D ad altissima risoluzione sviluppato presso il Max Planck Institute for Biophysical Chemistry consentirà ai biologi di osservare il funzionamento dei più piccoli organelli e persino dei singoli gruppi di proteine nelle cellule viventi. La nuova tecnologia, che ha una risoluzione di 40 nanometri, supera alcune importanti limitazioni nelle tecniche di microscopia esistenti e potrebbe avere importanti applicazioni nella dissezione esattamente come i farmaci hanno un impatto sulle cellule.
Potenza cellulare: Queste immagini di un organello cellulare chiamato mitocondrio sono state scattate con il microscopio ottico 3D a più alta risoluzione mai sviluppato. I ricercatori dell'Istituto Max Planck, in Germania, hanno utilizzato il microscopio per acquisire immagini di singoli cluster proteici marcati con fluorescenza nei mitocondri di cellule vive (sotto) e per combinarli per formare immagini 3D (sopra).
[È] un tour de force, un risultato importante, dice Giovanni Sadat , professore di biochimica e biofisica presso l'Università della California, San Francisco. Utilizzando il microscopio Max Planck e altri che stanno spingendo la risoluzione su scala nanometrica, i biologi saranno in grado di osservare come funzionano le cellule vive a un livello di dettaglio senza precedenti. Sarà una rivoluzione per la biologia, afferma Sedat, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Negli ultimi decenni, i biologi hanno fatto grandi passi avanti nella comprensione della composizione molecolare delle cellule, ma come queste parti si aggiungano a cellule e tessuti funzionanti è ancora un mistero. Utilizzando microscopi ottici, i biologi possono osservare le cellule viventi a una risoluzione relativamente bassa; utilizzando la microscopia elettronica, possono sezionare con cura le cellule morte.
Il nuovo microscopio consente di sezionare otticamente le cellule viventi, afferma Stefan Hell , capo del dipartimento di nanobiofotonica presso il Planck Institute, a Göttingen, in Germania, che ha guidato lo sviluppo dello strumento.
I ricercatori hanno utilizzato il nuovo microscopio per realizzare le prime immagini luminose ad altissima risoluzione di minuscoli organelli cellulari chiamati mitocondri, che sono cruciali per il metabolismo cellulare e svolgono un ruolo nel processo di invecchiamento. Una potenziale applicazione è visualizzare come alcuni farmaci antitumorali influenzano i mitocondri, i cui meccanismi interni sono stati invisibili alla microscopia ottica 3D. È stato difficile perché non potevi vedere molecole che si legano tra loro, rendendo impossibile nominare in modo definitivo la causa degli effetti di questi farmaci, afferma Maryann Fitzmaurice , patologo della Case Western Reserve University, a Cleveland.
I microscopi ottici tridimensionali funzionano scansionando un punto di luce focalizzato attraverso le cellule su tre piani. La dimensione di questo punto limita la risoluzione del microscopio: non si vede nulla di più piccolo della dimensione del punto. A causa di una proprietà fondamentale della luce chiamata limite di diffrazione, è impossibile focalizzare la luce fino a una dimensione inferiore alla metà della sua lunghezza d'onda utilizzando lenti convenzionali. Molte parti della cellula sono più piccole della metà della lunghezza d'onda della luce utilizzata per queste tecniche. Altri ricercatori hanno aggirato il limite di diffrazione in due dimensioni, o con tecniche che funzionano solo con una particolare lunghezza d'onda della luce.
Il gruppo Max Planck ha sviluppato un modo per aggirare i limiti fondamentali della luce utilizzando due raggi invece di uno. Il primo raggio di luce svolge lo stesso ruolo, ed è della stessa dimensione del punto, della luce in un microscopio convenzionale. Si muove attraverso la cellula in esame, stimolando le molecole marcate con fluorescenza all'interno della cellula a diventare fluorescenti. Il secondo raggio scolpisce il primo, dice Hell, inibendo la fluorescenza creata dai bordi del primo raggio. Ciò riduce la dimensione effettiva dello spot a 40-45 nanometri di diametro.
Fitzmaurice afferma che la microscopia a risoluzione molecolare migliorerà la cura del paziente su tutta la linea. L'attenzione si è concentrata sui difetti molecolari nelle malattie, ma per capirli veramente devi vederli nella cellula, dice. Ritiene che anche la microscopia a risoluzione su scala nanometrica svolgerà un ruolo importante nel progresso della medicina personalizzata. Ad esempio, gli scienziati hanno identificato biomarcatori specifici che aiutano a prevedere la prognosi di un malato di cancro, ma non tutti i pazienti con un particolare biomarcatore rispondono in modo simile agli stessi trattamenti. Usando il nuovo microscopio di Hell e altri futuri, i biologi possono fare la ricerca di base necessaria per capire come interagiscono le proteine e altre molecole e, in definitiva, per identificare i predittori più precisi della malattia.
E in futuro, i microscopi con risoluzione su scala nanometrica potrebbero essere utilizzati nei laboratori ospedalieri per eseguire una medicina veramente personalizzata. Sedat afferma che il livello successivo per la microscopia a risoluzione su scala nanometrica è svilupparla per l'imaging non solo di singole cellule ma anche di tessuti come le biopsie chirurgiche. Credo che siamo sull'orlo di alcune importanti nuove direzioni per la microscopia ottica, dice.