Istituto Italiano di Tecnologia – IIT: sviluppata una nuova tecnica di microscopia che preserva le condizioni naturali della cellula

Il prossimo passo sarà utilizzare l’intelligenza artificiale per arricchire le immagini con contenuti molecolari legati a patologie oncologiche o neurodegenerative

Con la guida di Alberto Diaspro i ricercatori Nicolò Incardona e Paolo Bianchini dell’unità Nanoscopydell’Istituto Italiano di Tecnologia – IIT, hanno sviluppato un’innovativa tecnica di microscopia capace di migliorare l’osservazione delle cellule viventi. Lo studio, pubblicato sulla rivista Optics Letters, apre la strada a un’analisi più approfondita di numerosi processi biologici senza la necessità di utilizzare mezzi di contrasto. Il prossimo passo sarà migliorare questa tecnica attraverso l’utilizzo dell’intelligenza artificiale, per aprire la strada a una nuova generazione di tecniche di microscopia ottica, capace di combinare la visione diretta con informazioni molecolari innovative.

Il microscopio ottico è uno strumento indispensabile per lo studio delle cellule, perché consente di osservarle nel dettaglio per comprendere i processi biologici fondamentali utilizzando la luce naturale. Tuttavia, la trasparenza delle cellule le rende quasi invisibili al microscopio ottico se non trattate con mezzi di contrasto, dalla marcatura istologica alla fluorescenza. Per superare questo limite, nel tempo sono state sviluppate tecniche che sfruttano le proprietà della luce per aumentare il contrasto e migliorarne la visione. Tra queste figura la microscopia a polarizzazione, che mette in evidenza specifiche componenti cellulari grazie alla luce polarizzata, e la microscopia in campo oscuro, che illumina solo i contorni del campione per far emergere dettagli altrimenti impercettibili. Pur essendo estremamente utili, queste tecniche spesso non garantiscono un dettaglio visivo spaziale per analisi molecolari.

Per questo motivo, la microscopia ottica di fluorescenza a super-risoluzione è oggi la tecnica più diffusa per studiare le cellule: impiega molecole luminescenti che si legano a specifici componenti cellulari, rendendoli chiaramente visibili e identificabili in 4 dimensioni, spaziali e temporali, al microscopio. Un esempio è il DAPI, che si lega al nucleo cellulare ed emette una caratteristica luce blu, permettendone l’immediata identificazione.

In questo contesto, i ricercatori dell’IIT hanno combinato la microscopia a polarizzazione con la microscopia in campo oscuro, creando una nuova tecnica capace di ottenere un contrasto elevato senza ricorrere alla fluorescenza. In questo modo l’integrità dei campioni viene preservata, offrendo una visione più autentica delle cellule.

“L’idea è quella di utilizzare questa tecnica per studiare la cromatina, il complesso formato da DNA e proteine che si trova nel nucleo delle cellule. Capire come la cromatina è organizzata e come cambia nel tempo è fondamentale per comprendere numerosi processi biologici e per individuare le alterazioni alla base di molte malattie.” afferma Nicolò Incardona, ricercatore dell’unità Nanoscopy, recentemente rientrato in Italia dopo 7 anni di attività presso l’Università di Valencia, in Spagna.

Sebbene la nuova tecnica rappresenti un importante passo avanti, presenta ancora una limitazione rispetto alla microscopia a fluorescenza: non è in grado di distinguere in modo specifico i diversi componenti cellulari. Per superare questo ostacolo, il team Nanoscopy sta lavorando allo sviluppo di un sistema integrato che la combini con quella a fluorescenza capace di offrire informazioni alla nanoscala molecolare. Il fine sarà quello di ottenere immagini dello stesso campione con entrambe le tecniche e sfruttare la loro correlazione, per addestrare un modello di intelligenza artificiale a trasformare le prime nelle seconde.

“Il nostro prossimo obiettivo è di costruire un modello di IA in grado di genere immagini a fluorescenza con contenuto molecolare, quindi specifiche, a partire da quelle ottenute con la nostra tecnica, eliminando così la necessità di etichette nelle cellule in analisi – afferma Alberto Diaspro, coordinatore dell’unità Nanoscopy – Si tratta di un obiettivo ambizioso, che potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di tecniche di microscopia completamente non invasive.”

Questo lavoro è stato supportato da ALM-Eurobioimaging, PNRR SEELIFE (“StrEngthEning the ItaLIan InFrastructure of Eurobioimaging”) finanziato da the EU–Next Generation PNRR MUR Infrastructure program (B53C22001810006, IR0000023); PNRR “National Center for Gene Therapy and Drugs Based on RNA Technology” (CN00000041).