Prova di forza cellulare
Le cellule biologiche possono espandersi e contrarsi e interagire con le cellule vicine. Grazie a un metodo di microscopia migliorato, i ricercatori del Fare all'ETH possono ora determinare con maggiore facilità e precisione quali forze sono all'opera. La tecnica è utilizzata, ad esempio, nella ricerca sul cancro.
Un team interdisciplinare di scienziati dell'ETH di Zurigo ha sviluppato una nuova tecnica di microscopia. Questa permette ai ricercatori di misurare in modo molto dettagliato le forze che le cellule biologiche esercitano quando crescono, cambiano forma o si muovono. Il nuovo metodo è un ulteriore sviluppo della microscopia a forza di trazione (TFM). Consente ai ricercatori di misurare queste forze cellulari in modo più semplice e con una risoluzione più elevata rispetto ai metodi precedenti.
Sottofondo elastico
"Le versioni più comuni della microscopia a forza di trazione oggi utilizzano un substrato deformabile elasticamente e punti di riferimento fluorescenti microscopicamente piccoli incorporati in esso", spiega Dimos Poulikakos, professore di termodinamica e responsabile del progetto di ricerca. Gli scienziati possono coltivare cellule su questi substrati in esperimenti di laboratorio. Quando queste cellule si deformano, ad esempio dopo la somministrazione di una sostanza messaggera, anche la base si deforma, causando lo spostamento dei punti di riferimento.
In questo stato, gli scienziati scattano una prima fotografia delle cellule e del tappeto di punti di riferimento al microscopio. Infine, rimuovono le cellule e la base si ritrae nella sua forma originale. I ricercatori fotografano quindi il tappeto elastico una seconda volta. Confrontando i modelli di punti sulle due foto, possono usare un computer per determinare la distanza di cui ogni punto sulla cellula è stato in grado di spostare la base elastica. Poiché sono note anche le proprietà fisiche della base, è possibile determinare le forze che agiscono su di essa.
Schema regolare
Nei progetti precedenti di TFM, i punti di riferimento fluorescenti erano incorporati in modo casuale nel materiale del substrato. I ricercatori che collaborano con Poulikakos sono riusciti per la prima volta a disporre questi punti in una griglia regolare su un substrato di silicone. Hanno utilizzato Nanodrip, una tecnica di nanostampa 3D sviluppata alcuni anni fa nel laboratorio del professor Poulikakos dell'ETH.
La disposizione regolare e chiaramente definita dei punti di orientamento comporta dei vantaggi. "Non dobbiamo più rimuovere le cellule e confrontare le immagini prima e dopo. Possiamo invece determinare le forze con una sola immagine al microscopio", spiega Aldo Ferrari, assistente in capo del gruppo di Poulikako. Questo permette agli scienziati di osservare le cellule per un periodo di tempo più lungo e, ad esempio, di misurare più volte in momenti diversi come le sostanze messaggere influenzano le forze di una cellula.
Collaborazione tra diversi gruppi di ricerca
Il progresso tecnico è stato possibile grazie alla stretta collaborazione di numerosi ricercatori dell'ETH: il laboratorio del professore Edoardo Mazza ha determinato le proprietà fisiche della base di silicone e ha sviluppato modelli numerici che permettono di calcolare con precisione le forze che causano la deformazione della base. La professoressa Olga Sorkine-Hornung dell'ETH e Daniele Panozzo, professore della New York University, hanno contribuito al calcolo computerizzato dello spostamento effettivo dei punti dalle immagini di microscopia.
Gli scienziati hanno anche utilizzato punti quantici blu, verdi o rossi come coloranti fluorescenti per il reticolo di orientamento, in collaborazione con il gruppo del professore dell'ETH ed esperto di punti quantici David Norris. I punti quantici sono nanostrutture costituite da materiali semiconduttori con geometria personalizzata.
Più preciso e in 3D
Il nuovo metodo presenta ancora più vantaggi: è più preciso dei metodi precedenti. Inoltre, per la prima volta è possibile combinare la microscopia della forza di trazione (e quindi le misurazioni della forza cellulare) con l'immunoistochimica. Quest'ultima è un comune metodo di biologia cellulare in cui alcuni componenti cellulari vengono visualizzati utilizzando anticorpi fluorescenti. "Possiamo utilizzare questo metodo per visualizzare simultaneamente la presenza di una proteina specifica e le forze in gioco in un'immagine di microscopia e riconoscere le correlazioni", spiega Ferrari. "Questo permette un nuovo tipo di esperimento di biologia cellulare".
Infine, grazie a ulteriori sviluppi, per la prima volta è possibile determinare le forze nelle cellule non solo in modo bidimensionale, ma anche tridimensionale. "Utilizziamo la microscopia confocale. Questo ci permette di scattare diverse immagini della base di silicone e della cellula strato per strato e di combinarle in un'immagine 3D con l'aiuto di un computer", spiega Ferrari.
Applicazione nella ricerca sul cancro
"Il nuovo sistema è facile da usare e pronto per le applicazioni", afferma Poulikakos. Il software sviluppato è open source: I ricercatori dell'ETH lo mettono gratuitamente a disposizione dei colleghi. Tuttavia, gli scienziati interessati devono essere in grado di utilizzare la tecnologia di nanostampa in laboratorio per produrre sottofondi in silicone a punti quantici.
Il nuovo sistema può essere utilizzato nella biologia cellulare e nella ricerca biomedica, ad esempio per studiare il movimento delle cellule o per misurare le interazioni tra cellule e impianti. Ad esempio, il gruppo di Poulikakos sta collaborando con ricercatori oncologici del Politecnico di Milano. In un tipo di carcinoma, stanno studiando come l'attività dei singoli geni e la mobilità delle cellule nel tessuto, così come le forze in gioco, siano collegate.
Letteratura di riferimento
Bergert M et al: Microscopia confocale di forza di trazione libera di riferimento, Nature Communications 2016, doi: pagina esterna10.1038/ncomms12814