An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

Immagina di cercare di comprendere una città guardando un singolo mattone, o studiando una mappa che mostra solo le strade ma non gli edifici. Per decenni, i biologi hanno affrontato un problema simile nel tentativo di vedere l'interno degli esseri viventi. Per studiare l'intricato cablaggio di un cervello o i vasi sanguigni di un intero organo, di solito dovevano tagliare il tessuto in pezzi sottili e piatti, come una pagnotta di pane, ed esaminare ogni fetta sotto un microscopio. Questo metodo distrugge le connessioni tridimensionali che tengono insieme l'organo. Un approccio più recente, chiamato chiarificazione dei tessuti (tissue clearing), risolve questo problema rendendo interi organi trasparenti, come il vetro, in modo che la luce possa attraversarli. Tuttavia, per vedere i dettagli all'interno di questi organi chiari e integri, gli scienziati hanno bisogno di un tipo speciale di microscopio che utilizzi un sottile foglio di luce per scansionare l'oggetto strato dopo strato. Queste macchine sono potenti, ma tradizionalmente sono state costose, complicate da costruire e limitate a svolgere un unico compito specifico con efficacia.

Un team di ricercatori ha introdotto un nuovo modo di costruire questi microscopi che cambia il panorama dell'imaging biologico. Invece di costringere i laboratori a scegliere tra diversi macchinari costosi per compiti differenti, hanno creato un ecosistema flessibile di strumenti che possono essere assemblati partendo da componenti comuni reperibili sul mercato. Questo sistema, che chiamano descSPIM-Advanced, consente a un singolo laboratorio di costruire un microscopio su misura per le proprie esigenze, che si tratti di vedere dettagli minuscoli, catturare organi massicci in un colpo solo o rilevare molti colori diversi contemporaneamente. I ricercatori hanno dimostrato che, sostituendo alcuni componenti chiave, lo stesso design di base può essere trasformato in quattro versioni distinte, ognuna ottimizzata per una diversa sfida nel vedere il mondo invisibile all'interno dei nostri corpi.

L'idea centrale dietro questo lavoro è che l'imaging avanzato non deve essere chiuso dietro le porte di costose strutture commerciali. I ricercatori sono partiti da un design di microscopio di base, economico, che avevano precedentemente sviluppato, e hanno mostrato come questo potesse essere aggiornato senza ricominciare da capo. Hanno costruito quattro versioni specifiche per provare il concetto. La prima, chiamata Galaxy, è progettata per vedere molti colori diversi contemporaneamente. In un microscopio standard, se si cerca di osservare troppi marcatori fluorescenti insieme, i loro colori si confondono. La versione Galaxy utilizza una telecamera speciale in grado di separare questi colori sovrapposti, permettendo agli scienziati di tracciare fino a sette diverse strutture biologiche in un singolo embrione di topo senza dover colorare e scansionare il campione più volte. Questa capacità apre la porta alla mappatura di complesse interazioni tra diversi tipi di cellule in un unico volume integro.

La seconda versione, chiamata Deepsky, si concentra sulla nitidezza. Mentre il microscopio di base è buono per vedere grandi strutture, non è in grado di risolvere i dettagli minuscoli delle singole cellule. La configurazione Deepsky sostituisce le parti con lenti di qualità superiore e uno specchio di scansione per rendere l'immagine più nitida. I ricercatori hanno utilizzato questa configurazione per creare mappe tridimensionali ad alta definizione di tessuti renali e polmonari. Le immagini erano così chiare che potevano contare le singole cellule e persino generare immagini a colori falsi che somigliano alle tradizionali sezioni di tessuto colorate, ma senza la necessità di tagli fisici. Ciò dimostra che un laboratorio può ottenere una risoluzione subcellulare, vedendo la fine architettura degli organi, senza necessitare di uno strumento commerciale da milioni di dollari.

Per gli scienziati che hanno bisogno di vedere le strutture più grandi, c'è Fullmoon. Alcuni organi, come un intero cervello di topo, sono semplicemente troppo grandi per essere catturati da microscopi standard in un'unica visuale, costringendo i ricercatori a scattare centinaia di piccole foto e poi unirle, un processo che può introdurre errori. La versione Fullmoon utilizza una telecamera a grande formato e un ampio fascio di luce per catturare un campo visivo massiccio. Il team ha dimostrato questo aspetto visualizzando un intero cervello di topo che era stato espanso dieci volte la sua dimensione originale. Hanno catturato l'intero organo espanso in un unico scatto, evitando la necessità di complessi processi di unione (stitching) e preservando l'integrità dei dati. Ciò consente una visione completa e ininterrotta di un intero sistema organico.

Infine, il team ha affrontato la barriera del costo e della complessità con una versione chiamata SLIM. Hanno ridotto il sistema alla sua forma più semplice, utilizzando diodi laser compatti e un numero minimo di parti. Questa configurazione può essere assemblata in poche ore per circa quindicimila dollari, una frazione del costo di altri sistemi. Nonostante la sua semplicità, produce comunque immagini tridimensionali di alta qualità di interi embrioni. Questa versione funge da punto di ingresso accessibile, consentendo a più laboratori di iniziare a praticare l'imaging di tessuti chiarificati e di aggiornare i propri sistemi man mano che le loro esigenze crescono.

Tutte queste diverse versioni sono tenute insieme da una piattaforma software condivisa chiamata Mission Control Center. Questo software agisce come un telecomando universale, permettendo allo stesso programma informatico di operare qualsiasi delle quattro configurazioni del microscopio. Ciò significa che un laboratorio può partire dalla versione semplice SLIM e, man mano che le proprie domande di ricerca diventano più complesse, riconfigurare il proprio hardware per diventare un sistema Galaxy, Deepsky o Fullmoon senza dover imparare un software completamente nuovo o acquistare una macchina completamente nuova. I ricercatori hanno reso pubblici i progetti, le liste dei componenti e il software, invitando altri scienziati a costruire e migliorare i loro design.

I risultati di questo lavoro mostrano che l'imaging tridimensionale avanzato non è più l'esclusiva di strutture centralizzate altamente finanziate. Dimostrando che un ecosistema modulare, basato su componenti comuni, può offrire prestazioni elevate in una vasta gamma di applicazioni, i ricercatori hanno democratizzato l'accesso a questi potenti strumenti. Hanno dimostrato che, con il giusto design, un laboratorio può costruire un microscopio che non è solo uno strumento a scopo singolo, ma una piattaforma versatile capace di crescere insieme alla scienza. Questo cambiamento significa che più ricercatori possono ora esplorare la piena complessità tridimensionale della vita, dalla cellula più piccola all'intero organo, utilizzando strumenti che possono costruire e controllare autonomamente.