Fino ad ora, la microscopia (ingrandimento di un'immagine o di un oggetto) è stata limitata. I microscopi a luce convenzionale che utilizzano una lente dell'oculare per ingrandire ciò che viene osservato attraverso la lente dell'obiettivo non rivelano "dettagli su piccola scala" delle cellule. Sebbene ci siano microscopi elettronici ad alta risoluzione in grado di ingrandire l'immagine di tessuti, molecole e altre caratteristiche a grandi ingrandimenti, sono molto costosi. Ma i ricercatori del MIT e della Harvard Medical School hanno escogitato un metodo migliore, ma allo stesso tempo accessibile, per ottenere immagini più accurate.

In 2015, un gruppo di ricercatori guidati da Edward Boyden, professore associato di ingegneria biologica e scienze cerebrali e cognitive al MIT, ha sviluppato una tecnica in grado di espandere un campione di tessuto a 100 volte il suo volume originale prima di immaginarlo. In un recente studio al MIT e Harvard, gli scienziati hanno usato questa tecnica come una soluzione più accurata ed economica per distinguere le lesioni della mammella allo stadio iniziale con rischio alto o basso di progredire verso il cancro.

The University Network (TUN) ha parlato con Boyden per ottenere informazioni sulla sua tecnica di microscopia e il recente studio sulle lesioni al seno.

"Per oltre 100 anni, i microscopi ottici convenzionali sono stati strumenti fondamentali per la patologia", ha detto Boyden a TUN. "Tuttavia, con questi ambiti non è possibile visualizzare dettagli di dimensioni fini delle celle. L'espansione consente ai ricercatori di vedere le caratteristiche con un microscopio ottico convenzionale che normalmente potrebbe essere visto solo con un costoso microscopio elettronico ad alta risoluzione. Rivela anche ulteriori informazioni molecolari che il microscopio elettronico non può fornire. Dal momento che molte malattie preoccupanti nella medicina moderna iniziano con cambiamenti molto sottili, ad esempio nei tumori o nelle malattie autoimmuni o nell'invecchiamento, è fondamentale poter vedere i dettagli delle cellule su piccola scala per diagnosticare la malattia precocemente e in modo accurato. "

Lo studio

Nello studio, i ricercatori hanno ampliato i campioni di tessuto bioptico. Questi campioni di tessuto sono comunemente resi più visibili essendo macchiati con una sostanza chimica, incorporati in paraffina o congelati.

Per preparare i campioni all'espansione, i ricercatori hanno esposto i campioni a un solvente chimico chiamato xilene per rimuovere la colorazione chimica o la paraffina. Hanno poi riscaldato i campioni in un'altra sostanza chimica chiamata citrato.

Infine, i campioni passano attraverso un processo di espansione simile a quello sviluppato in 2015. Boyden e il suo team hanno incorporato campioni biologici in un polimero rigonfiabile denso e poi hanno aggiunto acqua. Questo ha fatto gonfiare il volume biologico 100-fold in volume.

Ciò che differenzia lo studio corrente dallo studio su 2015 è che i ricercatori devono mettere i campioni attraverso passaggi di digestione più forti a causa della precedente fissazione chimica dei campioni.

I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per testare campioni di pazienti con lesioni mammarie allo stadio iniziale. Un modo comune per verificare se le lesioni diventeranno maligne è osservando i nuclei delle cellule. Le lesioni senza nuclei tipici hanno una possibilità molto maggiore di progredire verso il cancro.

In passato, ci sono stati molti casi di diagnosi errata a causa delle diverse valutazioni dei nuclei atipici da parte dei patologi. Un modo migliore per differenziare le lesioni benigne con nuclei tipici e atipici potrebbe far risparmiare centinaia di milioni di dollari e prevenire diagnosi errate annuali di 400,000 negli Stati Uniti

Dopo aver espanso i campioni di tessuto, i ricercatori hanno utilizzato algoritmi di apprendimento automatico per distinguere tra lesioni che probabilmente sarebbero diventate invasive e quelle che non lo erano.

Ulteriori usi per l'espansione

Questo approccio può essere applicato anche per trovare altre malattie. Nella loro analisi del tessuto renale, i ricercatori hanno scoperto che le immagini di campioni espansi mostravano segni di malattia renale che in precedenza si potevano trovare solo usando un microscopio elettronico.

"Abbiamo analizzato campioni di tessuto renale da pazienti con sindrome nefrotica, che compromettono la capacità del rene di filtrare il sangue", ha detto Boyden a TUN. "In questi pazienti, piccole proiezioni simili a dita che filtrano il sangue vengono perse o danneggiate. Queste strutture sono distanziate tra loro da nanometri 200 e quindi di solito possono essere viste solo con un microscopio elettronico o con costosi microscopi a risoluzione super. "

Quando i ricercatori hanno mostrato i campioni di tessuto espanso a un gruppo di scienziati, il gruppo è stato in grado di identificare il tessuto malato con un'accuratezza percentuale di 90 complessivamente, rispetto alla sola precisione percentuale 65 con campioni di tessuto non espanso.

Più volte al mese, Boyden e il suo team organizzano corsi di formazione al MIT, dove i visitatori possono osservare e osservare le tecniche di microscopia di espansione. Il loro obiettivo è che molte persone inizino a utilizzare questo approccio per identificare la malattia.

"Le biopsie sul cancro sono solo l'inizio", ha detto Boyden in una nota. "Abbiamo una nuova pipeline per prelevare campioni clinici ed espandendoli, e stiamo scoprendo che possiamo applicare l'espansione a molte diverse malattie. L'espansione consentirà alla patologia computazionale di sfruttare più informazioni di un campione rispetto a prima possibile. "

Conclusione

Il cancro e altre malattie autoimmuni sono difficili da gestire fisicamente, emotivamente e finanziariamente. Un fattore chiave nel limitare le molte difficoltà che accompagnano una malattia è la capacità di identificarlo precocemente. Tuttavia, molte malattie, incluso il cancro, iniziano con cambiamenti molto sottili che potrebbero non essere scoperti presto. Approcci, come questo nuovo metodo di espansione, sono quindi fondamentali nella lotta per diagnosticare rapidamente, a basso costo e con precisione le malattie.