Una nuova tecnica espande i tessuti in modo da poter vedere centinaia di biomolecole all'interno delle cellule
Per i biologi, vedere è credere. Ma a volte i biologi hanno difficoltà a vedere.
Mappatura TEMI della distribuzione dei lipidi negli strati cerebellari. Questa immagine mostra specie lipidiche specificamente arricchite in tre strati distinti del cervelletto: strato molecolare, strato di materia bianca e strato di cellule granulari.
Zhang and Ding et al.
Una sfida particolarmente impegnativa è quella di vedere contemporaneamente tutte le molecole di un campione di tessuto intatto, fino al livello delle singole cellule. Rilevare la posizione di centinaia o migliaia di biomolecole - dai lipidi ai metaboliti alle proteine - nel loro ambiente nativo permette ai ricercatori di comprendere meglio le loro funzioni e interazioni. Purtroppo, gli scienziati non dispongono di grandi strumenti per svolgere questo compito.
I metodi di imaging, tra cui la maggior parte dei tipi di microscopia, forniscono una visione delle molecole all'interno delle cellule. Ma possono seguire solo una manciata selezionata di molecole alla volta e non sono in grado di rilevare tutti i tipi di biomolecole, compresi alcuni lipidi. Altri metodi, come la normale spettrometria di massa, possono rilevare centinaia di molecole ma non funzionano su campioni intatti, quindi i ricercatori non possono vedere come sono orientate le biomolecole.
Una tecnica promettente - la spettrometria di massa per immagini - supera alcune di queste sfide. Permette ai ricercatori di vedere centinaia di molecole alla volta nei tessuti intatti. Tuttavia, non ha una risoluzione sufficientemente alta da consentire il rilevamento a livello di singola cellula.
Questo è stato il problema affrontato da Meng Wang, Senior Group Leader di Janelia. Wang e il suo team studiano i meccanismi fondamentali alla base dell'invecchiamento e della longevità e volevano rilevare molte biomolecole diverse nei tessuti intatti per capire come i componenti cambiano con l'invecchiamento dei tessuti.
"Sapere in ogni luogo specifico quali molecole ci sono e quali sono nelle cellule vicine è molto importante per qualsiasi tipo di domanda biologica", spiega Wang.
Fortunatamente, il laboratorio di Wang si trova in fondo al corridoio con Paul Tillberg, scienziato principale di Janelia. Tillberg ha co-inventato una tecnica chiamata microscopia di espansione quando era studente laureato al MIT. Il metodo utilizza un materiale idrogel rigonfiabile per espandere uniformemente i campioni in tutte le direzioni fino al punto in cui i dettagli più fini, come la struttura delle sub-organelle, possono essere rilevati con un microscopio convenzionale.
Ormai decennale, il processo di espansione viene applicato ad altri metodi al di fuori della microscopia tradizionale. Wang, Tillberg e i loro collaboratori di Janelia e dell'Università del Wisconsin-Madison volevano verificare se fosse possibile utilizzare l'espansione per superare il problema della risoluzione spaziale della spettrometria di massa.
Il risultato è un nuovo metodo che espande gradualmente i campioni di tessuto senza doverli degradare a livello molecolare, come avviene nel processo di espansione originale. Espandendo i campioni intatti in tutte le direzioni, i ricercatori possono utilizzare l'imaging di spettrometria di massa per rilevare simultaneamente centinaia di molecole a livello di singola cellula nelle loro sedi native.
"Questo permette di avere uno sguardo non mirato nello spazio molecolare e stiamo cercando di avvicinarci a ciò che la microscopia può fare in termini di risoluzione spaziale", dice Tillberg.
Il team ha utilizzato la nuova tecnica per delineare gli schemi spaziali specifici delle piccole molecole nei diversi strati del cervelletto. Hanno scoperto che queste molecole - tra cui lipidi, peptidi, proteine, metaboliti e glicani - non sono distribuite uniformemente, come si pensava in precedenza. Inoltre, hanno scoperto che ogni strato specifico del cervelletto ha una propria firma di lipidi, metaboliti e proteine.
Il team è stato anche in grado di rilevare biomolecole in tessuti di reni, pancreas e tumori, dimostrando che il metodo può essere adattato a diversi tipi di tessuto. Nei tessuti tumorali sono stati in grado di visualizzare grandi variazioni di biomolecole, che potrebbero essere utili per comprendere i meccanismi molecolari dei tumori e potenzialmente aiutare nello sviluppo di farmaci.
"Quando si possono vedere queste biomolecole, si può iniziare a capire perché hanno questi schemi e come sono collegati alla funzione", dice Wang. La ricercatrice ritiene che la nuova tecnologia consentirà ai ricercatori di seguire questi schemi durante lo sviluppo, l'invecchiamento e le malattie, per capire come le diverse molecole contribuiscono a questi processi.
Poiché il nuovo metodo non richiede l'aggiunta di hardware a un sistema di imaging con spettro di massa esistente e la tecnica di espansione è relativamente facile da imparare, il team spera che possa essere utilizzato da molti laboratori in tutto il mondo. Sperano inoltre che la nuova tecnica renda l'imaging con spettro di massa uno strumento più utile per i biologi, e hanno presentato una descrizione dettagliata del nuovo metodo e una tabella di marcia per adattarlo ad altri tipi di tessuto.
"Volevamo sviluppare qualcosa che non richiedesse strumenti o procedure specializzate, ma che potesse essere adottato su larga scala", spiega Wang.
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