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Scansione 3D a super-risoluzione fornisce informazioni preziose sull'Alzheimer
Recenti studi dimostrano che il 40% degli americani over-85 ha il morbo di Alzheimer (MA) e che la malattia inizia 10 o 20 anni prima che le persone si presentino all'ambulatorio con problemi di memoria. Uno dei principali problemi a capire il MA è stato finora l'impossibilità di vedere chiaramente perché inizia la malattia.
Un 'nanoscopio' ad altissima risoluzione, sviluppato dai ricercatori della Purdue University, ci fornisce ora una visione in 3D delle molecole cerebrali, con dettagli 10 volte maggiori. Questa tecnica di scansione potrebbe aiutare a rivelare come progredisce la malattia e dove potrebbero intervenire i futuri trattamenti.
Lo strumento ha aiutato i ricercatori dell'Università dell'Indiana a capire meglio la struttura delle placche che si formano nel cervello dei malati di MA, individuando le caratteristiche che potrebbero essere responsabili del danno. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Methods.
Molto prima che il MA si sviluppi in un individuo, nel cervello si accumulano dei depositi cerosi chiamati 'placche amiloidi'. Questi ammassi interagiscono con le cellule circostanti, causando un'infiammazione che distrugge i neuroni e crea problemi di memoria. La deposizione di queste placche è attualmente la prima prova rilevabile di un cambiamento patologico che porta al MA.
"Pur essendo uno strumento strettamente di ricerca per il futuro prevedibile, questa tecnologia ci ha permesso di vedere come si assemblano e si rimodellano le placche durante il processo della malattia", ha detto Gary Landreth, professore di anatomia e biologia cellulare della Indiana University. "Fornisce informazioni sulle cause biologiche della malattia, così che possiamo vedere se possiamo fermare la formazione di queste strutture dannose nel cervello".
La risoluzione limitata nei microscopi ottici convenzionali e lo spessore naturale del tessuto cerebrale hanno impedito finora ai ricercatori di osservare chiaramente la morfologia 3D delle placche amiloidi e le loro interazioni con altre cellule.
"Il tessuto cerebrale è particolarmente impegnativo per la scansione con super-risoluzione a singola molecola perché è estremamente ricco di componenti extracellulari e intracellulari, che distorcono e disperdono la luce - la nostra fonte di informazioni molecolari", ha detto Fang Huang, assistente professore di ingegneria biomedica della Purdue. "Puoi vedere in profondità nel tessuto, ma l'immagine è sfocata".
I nanoscopi a super risoluzione, che il team di ricerca di Huang ha già sviluppato per vedere cellule, batteri e virus con dettagli precisi, usano un'«ottica adattabile» - specchi deformabili che cambiano forma per compensare la distorsione della luce, chiamata «aberrazione», che è presente quando i segnali di luce delle singole molecole viaggiano attraverso diverse parti di strutture cellulari o di tessuto a velocità diverse.
Per affrontare la sfida del tessuto cerebrale, il team di ricerca di Huang ha sviluppato nuove tecniche che regolano gli specchi in risposta alle profondità del campione per compensare l'aberrazione prodotta dal tessuto. Allo stesso tempo, queste tecniche introducono intenzionalmente ulteriori aberrazioni per mantenere le informazioni sulla posizione date da una singola molecola.
Il nanoscopio ricostruisce l'intero tessuto, le sue cellule e i suoi componenti cellulari con una risoluzione da sei a dieci volte superiore rispetto ai microscopi convenzionali, consentendo una visione chiara attraverso sezioni cerebrali spesse 30 micron della corteccia frontale di un topo.
I ricercatori hanno usato topi geneticamente modificati che sviluppano le placche caratteristiche del MA. Il laboratorio di Landreth ha scoperto con queste ricostruzioni 3D che le placche amiloidi sono come palle di pelo, che impigliano i tessuti circostanti attraverso le loro piccole fibre che si diramano dai depositi cerosi: "Ora possiamo vedere che è qui che si verifica il danno al cervello: il topo ci dà la convalida che possiamo applicare questa tecnica di scansione al tessuto umano", ha detto Landreth.
La collaborazione ha già iniziato a lavorare sull'uso del nanoscopio per osservare le placche di amiloide in campioni di cervelli umani, nonché per dare uno sguardo più ravvicinato al modo in cui le placche interagiscono con altre cellule e si rimodellano nel tempo.
"Questo sviluppo è particolarmente importante per noi in quanto finora è stato piuttosto difficile ottenere un'alta risoluzione nei tessuti. Speriamo che questa tecnica possa aiutare a comprendere meglio questioni correlate anche ad altre malattie, come quelle per il Parkinson, la sclerosi multipla e altre malattie neurologiche", ha detto Huang.
Fonte: Kayla Wiles in Purdue University (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Michael J. Mlodzianoski, Paul J. Cheng-Hathaway, Shane M. Bemiller, Tyler J. McCray, Sheng Liu, David A. Miller, Bruce T. Lamb, Gary E. Landreth, Fang Huang. Active PSF shaping and adaptive optics enable volumetric localization microscopy through brain sections. Nature Methods, 2018; DOI: 10.1038/s41592-018-0053-8
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