Uno strumento che utilizza la luce per studiare le cellule con un alto livello di precisione, senza interferire con la loro struttura nanometrica, e che consentirà di visualizzare meccanismi biologici fondamentali degli esseri viventi con tempi di acquisizione inferiori al millisecondo.

È il microscopio di nuova generazione Micro4PAP, che è in fase di sviluppo con il progetto omonimo finanziato dall’Ue e guidato dall’Istituto italiano di tecnologia (Iit). Il nuovo dispositivo sarà in grado di eseguire immagini in vivo della meccanica di cellule e tessuti, facilitando così la comprensione di processi fisiologici e patologici, come quelli coinvolti, ad esempio, nelle malattie neurodegenerative e nei disordini del neurosviluppo.

Il progetto ha ricevuto più di tre milioni di euro dall’European innovation council (Eic) nell’ambito del programma Horizon Europe. Oltre all’Iit, in Italia sono coinvolti l’Università di Trento e l’azienda CrestOptics.

Micro4PAP è coordinato da Giancarlo Ruocco e Gian Gaetano Tartaglia, principal investigator presso l’Iit di Roma e di Genova, e nasce dalla necessità di disporre di un nuovo strumento per studiare le proprietà meccaniche di cellule e tessuti biologici. Molti processi biologici, infatti, si basano su transizioni di fase liquido-liquido e liquido-solido, come la formazione e la dissoluzione di aggregati, l’organizzazione della cromatina (il complesso di proteine ed acidi nucleici in cui è organizzato il genoma cellulare) e il trasporto nucleo-citoplasmatico; l’alterazione di questi processi è legata a molteplici patologie umane, dai disturbi neurodegenerativi al cancro.

Un passo avanti per studiare diverse patologie

Il progetto mira a sviluppare un microscopio Brillouin a scansione rapida, un tipo di elastografia ottica che non tocca o interferisce con il campione biologico, che sarà in grado di sondare le proprietà viscoelastiche degli elementi sub-cellulari, con una risoluzione spaziale in 3D esclusivamente limitata dalla diffrazione della luce. Questo nuovo metodo sarà in grado di garantire tempi di acquisizione inferiori al millisecondo, ed è quindi adatto per misurazioni in vivo nelle cellule viventi.

Il microscopio Micro4PAP potrà essere utilizzato nello studio di diverse patologie, come i disordini neurodegenerativi, i tumori, le malattie croniche e quelle legate all’invecchiamento, rappresentando così un potente strumento per la ricerca orientata alla clinica, e migliorando al contempo la capacità di diagnosi precoce delle malattie e la definizione dei percorsi terapeutici più efficaci.

L’evoluzione del microscopio tocca anche altri campi come quello oculistico. È il caso dell’Azienda ospedaliera San Carlo di Potenza dove come ha spiegato il direttore generale Giuseppe Spera “il decisivo perfezionamento dell’attività chirurgica in Oculistica si è registrato con i primi interventi realizzati grazie al nuovo microscopio oftalmico in 3D, in uso soltanto in sei strutture pubbliche in Italia“.

“Il nuovo microscopio digitale visualizza una immagine 3D su un monitor ad altissima risoluzione – spiega il direttore del reparto di oculistica, Domenico Lacerenza – e rappresenta una evoluzione nel contesto della robotizzazione della chirurgia in oftalmologia che consente di effettuare, con più precisione, gli interventi di sostituzione del cristallino ed è fondamentale anche nelle procedure chirurgiche della retina”.

La citometria

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di citometria in grado di fare e meno di marcatori fluorescenti, molecole in grado di “colorare” e quindi distinguere tra loro differenti organelli intracellulari, ma, al tempo stesso, potenzialmente tossici per le cellule.

“È nato così un ambiente totalmente immersivo per la microscopia, accessibile mediante occhiali per la realtà virtuale. L’utente, sia esso ricercatore, medico, studente, o un semplice curioso, può immergersi in un mondo parallelo per viaggiare tra le cellule e nelle cellule”, spiega Ettore Stella del Cnr-Stiima, coordinatore del gruppo di Bari.

Durante l’esplorazione, oltre a visualizzare al meglio le strutture all’interno della cellula, si può accedere ‘on-demand’ a tutte le informazioni e i dati sulle sue caratteristiche fisiche. “È un viaggio alla Jules Verne, che permette di scrutare nei minimi dettagli la struttura cellulare in 3D dalla prospettiva preferita: la combinazione tra citometria 3D tomografica e realtà virtuale apre scenari di sviluppo su diversi aspetti della biologia cellulare”, precisano Massimo D’Agostino e Tommaso Russo, dell’Università di Napoli.

L’utilizzo della realtà virtuale potrà essere decisivo nei futuri scenari della diagnostica medica sul ‘single cell imaging’, nella quale è impegnata l’infrastruttura di ricerca Ciro (Campania imaging for research in oncology), finanziata dalla Regione Campania, dove si studiano e si applicano le tecnologie sull’imaging in campo oncologico.

“Questi risultati potranno rivelarsi uno strumento potente per migliorare lo studio, l’analisi e la condivisione dei dati anche da parte di laboratori a distanza. Inoltre, questo primo innovativo esempio di metaverso “label-free” per cellule 3D costituisce una piattaforma di realtà virtuale che aprirà nuovi scenari per le attività di formazione, didattica e outreach, fornendo esperienze uniche, informative e più coinvolgenti sulla biologia cellulare”, afferma Pietro Ferraro del Cnr-Isasi, Presidente del comitato scientifico di Ciro.