La ricerca è stata condotta dal gruppo diretto da Giuseppe Vicidomini grazie al finanziamento da parte dell’European Research Council (ERC)
Fino ad oggi la pelle, il cervello e tutti i tessuti del corpo umano erano difficili da osservare nel dettaglio con un microscopio ottico, poiché il contrasto nell’immagine era ostacolato dall’elevata densità delle loro strutture. Il gruppo di ricerca del Molecular Microscopy and Spectroscopy Lab dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) a Genova ha ideato un nuovo metodo che permette di guardare e fotografare i campioni biologici in tutta la loro complessità, ottenendo immagini nitide e dettagliate. La nuova tecnica è stata messa a disposizione della comunità scientifica in modalità “open science”, rappresentando un vantaggio nel settore biomedico, poiché permette di osservare le cellule in attività, anche in presenza di malattie, oltre che comprendere come i farmaci interagiscono con i tessuti vivi.
Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica internazionale Nature Photonics ed è parte delle ricerche condotte dal gruppo di Giuseppe Vicidomini, Principal Investigator del Molecular Microscopy and Spectroscopy Lab, nell’ambito del progetto Brighteyes finanziato dall’European Research Council. L’obiettivo del progetto, infatti, era l’utilizzo di nuovi sensori a singolo fotone per sviluppare nuove tecniche di microscopia ottica in grado di osservare processi biomolecolari all’interno di un sistema cellulare vivente, come per esempio gli organoidi, per studiare il loro comportamento e comprendere le cause di alcune patologie e il processo di invecchiamento umano. Dal progetto sono scaturite anche diverse innovazioni che sono entrate già nel mercato, grazie a collaborazioni industriali internazionali e la creazione della start-up Genoa Instruments.
Quest’ultimo studio ha introdotto un nuovo metodo di microscopia ottica capace di rispondere a un problema ben specifico del settore, ovvero quello di ottenere immagini estremamente nitide e dettagliate di campioni biologici spessi e complessi.
“Quello che abbiamo fatto è ripensare il modo in cui i microscopi misurano la luce che incide sui campioni in osservazione, migliorando sia la risoluzione spaziale sia il contrasto quando si studiano tessuti spessi, dove la luce di fondo normalmente andrebbe a sovrastare la loro struttura, creando del rumore nelle immagini”, spiega Giuseppe Vicidomini, coordinatore dello studio.
Il gruppo di ricerca ha realizzato uno strumento che agisce come un bisturi luminoso che penetra in profondità, osservando il campione senza danneggiarlo. Una piccola matrice di sensori cattura sia la luce nel punto dove incide, sia le variazioni con cui la luce si distribuisce nel campione. Una volta registrate queste informazioni, un algoritmo di ricostruzione le lavora, individuando il percorso della luce attraverso il campione e producendo immagini più nitide e ben sezionate, senza perdere qualità del segnale.
“Il microscopio ottico utilizzato è dotato di una matrice di rivelatori SPAD (single-photon avalanche diode), capace di rilevare l’arrivo dei singoli fotoni con altissima precisione sia spaziale che temporale” spiega Alessandro Zunino, primo autore dello studio e ricercatore post-doc del Molecular Microscopy and Spectroscopy Lab dell’IIT a Genova. “Questa caratteristica non solo migliora la risoluzione e il sezionamento ottico, ma abilita anche tecniche avanzate come il tempo di vita di fluorescenza, fondamentali per esplorare la dinamica molecolare nei tessuti viventi e fornire informazioni funzionali oltre che strutturali”.
Il risultato ottenuto, vista la rilevanza nel campo della microscopia ottica e negli studi del vivente, è stato reso accessibile a tutta la comunità internazionale seguendo i principi della scienza aperta. Il nuovo metodo è open-source e open-access. Qualsiasi laboratorio può adottarlo, modificarlo e applicarlo al proprio lavoro, senza alcun costo o bisogno di attrezzature complesse. Gli autori hanno reso disponibili gratuitamente software e dati, aprendo la strada a una diffusione rapida e a nuove innovazioni nella comunità scientifica.
Le applicazioni potenziali sono numerose: dallo studio di tessuti cerebrali, tumori, organoidi e altri sistemi biologici complessi, all’osservazione in diretta della vita cellulare per capire come progrediscono le malattie. In campo farmacologico, infine, potrà essere utilizzato per visualizzare in tempo reale come i farmaci interagiscono con i tessuti biologici vivi, velocizzando e rendendo più accurata la scoperta di nuovi trattamenti e cure.
Per approfondire:
Structured detection for simultaneous super-resolution and optical sectioning in laser scanning microscopy, Nature Photonics, 2025
