I ricercatori del MIT hanno identificato un effetto inatteso nella fisica ottica che potrebbe portare a un metodo più rapido e dettagliato per l’imaging dei tessuti viventi. In determinate condizioni, quello che normalmente appare come un segnale laser diffuso e disordinato può riorganizzarsi in un “fascio a matita” stretto e altamente focalizzato.
Grazie a questo fascio auto-generato, il team ha prodotto immagini 3D della barriera emato-encefalica umana a velocità circa 25 volte superiori rispetto all’attuale metodo, mantenendo al contempo una qualità d’immagine simile. Il metodo consente inoltre di osservare in tempo reale l’assorbimento dei farmaci da parte delle singole cellule. Ciò potrebbe aiutare gli scienziati a valutare se i trattamenti per patologie come l’Alzheimer o la SLA raggiungano effettivamente i bersagli previsti nel cervello.
“La convinzione comune in questo campo è che, aumentando la potenza di questo tipo di laser, la luce diventi inevitabilmente caotica. Ma noi abbiamo dimostrato il contrario. Abbiamo seguito le evidenze, accettato l’incertezza e trovato un modo per far sì che la luce si riorganizzi in una soluzione innovativa per la bioimmagine”, afferma Sixian You, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT, membro del Laboratorio di Ricerca per l’Elettronica e autore senior di un articolo su questa tecnica di imaging.
Insieme a lei, hanno contribuito all’articolo l’autore principale Honghao Cao, studente di dottorato in EECS; gli studenti di dottorato in EECS Li-Yu Yu e Kunzan Liu; i ricercatori post-dottorato Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton e Federico Presutti; Zhengyu Zhang, PhD ’24; Subhash Kulkarni, professore assistente presso l’Università di Harvard e il Beth Israel Deaconess Medical Center; e Roger Kamm, professore emerito di ingegneria biologica e meccanica presso il MIT. L’articolo è stato pubblicato oggi su Nature Methods.
Emerge un sorprendente comportamento del laser
La scoperta è iniziata con un’osservazione che non corrispondeva alle aspettative.
I ricercatori avevano precedentemente costruito un modellatore di fibra di precisione , un dispositivo che consente un controllo accurato della luce laser che viaggia attraverso una fibra ottica multimodale, in grado di trasportare livelli di potenza elevati.
Cao aumentò gradualmente la potenza del laser per testare i limiti della fibra.
Normalmente, l’aumento della potenza provoca una maggiore dispersione della luce a causa delle imperfezioni presenti all’interno della fibra. Invece, quando la potenza si è avvicinata alla soglia in cui la fibra potrebbe danneggiarsi, la luce si è improvvisamente concentrata in un singolo fascio estremamente nitido.
“Il disordine è intrinseco a queste fibre. L’ingegneria della luce che in genere è necessaria per superare tale disordine, soprattutto ad alta potenza, è da sempre un problema. Ma con questa auto-organizzazione, è possibile ottenere un fascio stretto stabile e ultraveloce senza bisogno di componenti di modellazione del fascio personalizzati”, afferma You.
Condizioni che consentono l’auto-organizzazione della luce
Per riprodurre questo effetto, il team ha individuato due requisiti fondamentali.
Innanzitutto, il laser deve entrare nella fibra con un angolo perfettamente allineato a zero gradi, un requisito più stringente rispetto alla prassi standard. In secondo luogo, la potenza deve essere aumentata fino a quando la luce non inizia a interagire direttamente con il materiale vetroso della fibra.
“A questa potenza critica, la non linearità può contrastare il disordine intrinseco, creando un equilibrio che trasforma il fascio in ingresso in un fascio a matita auto-organizzato”, spiega Cao.
Tali condizioni vengono raramente esplorate perché i ricercatori in genere evitano livelli di potenza elevati per non danneggiare la fibra. Inoltre, di solito non è necessario un allineamento preciso, poiché le fibre multimodali sono già in grado di trasportare grandi quantità di energia.
Tuttavia, la combinazione di questi fattori consente al sistema di produrre un fascio stabile senza la necessità di complesse soluzioni ingegneristiche ottiche.
“Questo è il bello di questo metodo: si può fare con una normale configurazione ottica e senza bisogno di particolari competenze specifiche”, afferma You.
Immagini più nitide con meno artefatti
I test hanno dimostrato che questo fascio di luce sottile è stabile e altamente dettagliato rispetto a fasci simili. Molti fasci convenzionali producono “lobi laterali”, ovvero aloni sfocati che riducono la nitidezza dell’immagine.
Al contrario, questo fascio rimane pulito e ben focalizzato.
I ricercatori hanno quindi applicato la tecnica per visualizzare la barriera emato-encefalica umana, uno strato denso di cellule che protegge il cervello dalle sostanze nocive ma blocca anche molti farmaci.
Imaging 3D più rapido della barriera emato-encefalica
Gli scienziati spesso hanno bisogno di osservare come i farmaci si muovono attraverso i vasi sanguigni in questa barriera e se raggiungono effettivamente il tessuto cerebrale. I metodi ottici tradizionali in genere acquisiscono una sezione 2D alla volta, richiedendo scansioni ripetute per costruire un’immagine 3D completa.
Utilizzando il nuovo approccio a fascio di luce concentrato, il team ha generato immagini rapide e ad alta precisione, monitorando al contempo in tempo reale l’assorbimento delle proteine da parte delle cellule.
“L’industria farmaceutica è particolarmente interessata a utilizzare modelli basati sull’uomo per lo screening di farmaci che attraversano efficacemente la barriera emato-encefalica, poiché i modelli animali spesso non riescono a prevedere cosa accade negli esseri umani. Il fatto che questo nuovo metodo non richieda che le cellule abbiano un marcatore fluorescente rappresenta una svolta. Per la prima volta, possiamo visualizzare l’ingresso dei farmaci nel cervello in funzione del tempo e persino identificare la velocità con cui specifici tipi di cellule internalizzano il farmaco”, afferma Kamm.
“È importante sottolineare, tuttavia, che questo approccio non si limita alla barriera emato-encefalica, ma consente il tracciamento nel tempo di diversi composti e bersagli molecolari attraverso modelli di tessuto ingegnerizzato, fornendo un potente strumento per l’ingegneria biologica”, aggiunge Spitz.
Il sistema ha prodotto immagini 3D a livello cellulare con una qualità migliorata e lo ha fatto circa 25 volte più velocemente rispetto ai metodi esistenti.
“Di solito, c’è un compromesso tra risoluzione dell’immagine e profondità di campo: si può sondare solo fino a un certo punto alla volta. Ma con il nostro metodo, possiamo superare questo compromesso creando un fascio di luce concentrato con alta risoluzione e grande profondità di campo”, afferma You.
Applicazioni future e prossimi passi
Guardando al futuro, i ricercatori puntano a comprendere meglio la fisica alla base di questo fascio auto-organizzante e i meccanismi che ne consentono la formazione. Prevedono inoltre di estendere il metodo ad altre applicazioni, tra cui l’imaging dei neuroni, e di esplorare le modalità per rendere la tecnologia applicabile nella pratica.
Questo lavoro è stato finanziato, in parte, da fondi di avviamento del MIT, dalla National Science Foundation (NSF), dalla Silicon Valley Community Foundation, dalla Diacomp Foundation, dall’Harvard Digestive Disease Core, da una borsa di studio MathWorks e dal premio Claude E. Shannon.
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