Finora, sono state sviluppate molte microscopie ottiche (usate anche per scoprire un nuovo organo umano), come la microscopia a contrasto di fase, la microscopia a fluorescenza, quella a più fotoni, e quella a fluorescenza super-risolta. Recenti innovazioni nella tecnologia dell’ottica hanno consentito agli scienziati di visualizzare la struttura ultrafine delle cellule e le loro funzioni anche in vitro e in vivo.
Ora, si può usare la luce per manipolare l’attività cellulare come in optogenetica, usando channelrhodopsin o altre proteine correlate. Tuttavia, l’attuale stimolazione della luce basata sull’optogenetica, usata per manipolare l’attività cellulare, è troppo semplice: usando un’esposizione uniforme a LED o attraverso fibre ottiche, quindi, è possibile solo un basso livello di manipolazione cellulare.
Questo studio propone un nuovo sistema di microscopio ottico chiamato SIFOM. Il SIFOM si basa su due sotto-funzioni: osservazione 3D delle cellule e stimolazione 3D delle cellule basata sull’olografia digitale. Questo è il primo microscopio ad essere dotato di una tecnologia in grado di eseguire simultaneamente l’osservazione e la stimolazione 3D, e ha potenziali applicazioni come strumento rivoluzionario nelle scienze della vita. Usando la fotografia scanless ad alta velocità, questa tecnologia consente di ottenere informazioni su più eventi che si verificano nello spazio 3D in un lasso di tempo molto breve.
Un nuovo microscopio, chiamato SIFOM
Come esperimento di verifica, il team ha utilizzato cellule di cancro ai polmoni e sfere fluorescenti di circa 10 micrometri. Hanno registrato un ologramma fluorescente in uno stato sfocato dalla posizione focale nella direzione della profondità, e hanno ottenuto la ricostruzione di entrambe le cellule e le perline fluorescenti.
Lo studio è stato effettuato da un istituto interdisciplinare, un team di ricerca collaborativa guidato dal professor Hiroaki Wake (Università di Kobe, Graduate School of Medicine) e dal professor Osamu Matoba (Università di Kobe, Graduate School of system infomatics), in collaborazione con il professor Yasuhiro Awatsuji (Kyoto Istituto di Tecnologia, Facoltà di Ingegneria Elettrica ed Elettronica) e il Professor Yoshio Hayasaki (Università Utsunomiya, Centro per la ricerca e l’educazione ottica).
Durante l’esperimento di verifica, sono stati in grado di osservare la stimolazione della luce per un massimo di cinque celle contemporaneamente. Il numero massimo di cellule stimolate è determinato principalmente a causa della luce. In uno spazio bidimensionale, si prevede che la stimolazione simultanea sia possibile per oltre 100 cellule e, in futuro, la squadra mira ad espandere la profondità a qualche centinaio di micrometri utilizzando stimolazione a due fotoni.
Per osservare le cellule viventi, c’è un limite alla potenza della fluorescenza per evitare cellule dannose, quindi sono necessarie misurazioni ad alta sensibilità. Il team ha l’obiettivo di superare questi problemi, e preparare il nuovo sistema di microscopia ottica per l’uso pratico.