Una mappa a risoluzione micrometrica per la navigazione nelle reti di fibre tissutali / A micron-resolution map for navigating tissue fiber networks

Una mappa a risoluzione micrometrica per la navigazione nelle reti di fibre tissutali / A micron-resolution map for navigating tissue fiber networks

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un nuovo metodo ha rivoluzionato la nostra capacità di mappare l'orientamento e l'organizzazione delle fibre tissutali in diversi tessuti, patologie e preparazioni di campioni.

Un gruppo internazionale di ricercatori guidato da Marios Georgiadis della Stanford Medicine (California, USA) ha recentemente sviluppato un metodo semplice ed economico per mappare le fibre tissutali con una risoluzione micrometrica. Originariamente concepito per analizzare sezioni cerebrali, il nuovo metodo – denominato ComSLI (Computational Spreading Light Imaging) – ha fornito nuove informazioni sulla neurodegenerazione e ha dimostrato il suo potenziale per l'analisi di tessuti al di là del cervello, contribuendo ad una più ampia comprensione della salute e della malattia.

I tessuti sono composti da reti di fibre microscopiche, ciascuna con un orientamento ed un'organizzazione specifici che contribuiscono alla funzione specializzata del tessuto: ad esempio, le fibre muscolari coordinano le forze meccaniche e le fibre cerebrali trasmettono i segnali che sono alla base della cognizione. Tuttavia, i metodi esistenti per visualizzare queste fibre – come la risonanza magnetica di diffusione, la microscopia elettronica e la diffusione di raggi X a piccolo angolo – presentano degli svantaggi, costringendo i ricercatori a scendere a compromessi in termini di risoluzione, volume del tessuto, costi o preparazione del campione.

Per superare i limiti dei metodi attuali, il gruppo di ricerca ha sviluppato ComSLI, una tecnica di microscopia ottica che utilizza una luce LED rotante direzionale ed una telecamera ad alta risoluzione per ricostruire le mappe di orientamento delle fibre da tessuti animali ed umani, indipendentemente dall'età, dalle condizioni di conservazione o dal protocollo di colorazione utilizzato. ComSLI si basa sul principio che la luce si diffonde in modo diverso a seconda dell'orientamento del materiale che attraversa. Ruotando la luce LED e registrando come questa influisce sulla diffusione, gli algoritmi software sono in grado di riconoscere i modelli di luce diffusa e produrre mappe a colori che indicano la densità e l'orientamento delle fibre all'interno di un campione.

Questo metodo è particolarmente apprezzato per la sua semplicità e flessibilità. "Si tratta di uno strumento che qualsiasi laboratorio può utilizzare. Non sono necessarie preparazioni specializzate od attrezzature costose. Ciò che mi entusiasma di più è che questo approccio apre le porte a chiunque, dai piccoli laboratori di ricerca ai laboratori di patologia, per scoprire nuove informazioni a partire da vetrini già in loro possesso", ha commentato il co-autore senior Michael Zeineh (Stanford).

Applicando la tecnica ComSLI al loro studio sulla neurodegenerazione nell'ippocampo, il gruppo ha confrontato campioni di tessuto cerebrale intero, fissati in formalina ed inclusi in paraffina, provenienti da un paziente affetto da malattia di Alzheimer e da un individuo sano. Hanno scoperto che il campione del paziente affetto da Alzheimer presentava un deterioramento significativo nell'ippocampo, con la via perforante – una via di segnalazione chiave legata alla memoria – quasi impercettibile, il che rappresentava un netto contrasto con il campione di cervello sano, ricco di fibre.

Per testare la versatilità del nuovo metodo nell'analisi di campioni di tessuto di età e preparazioni diverse, il gruppo ha utilizzato ComSLI per acquisire immagini di una sezione cerebrale preparata nel 1904. La tecnica ha catturato con successo intricati percorsi di fibre, dimostrando il suo potenziale per lo studio di campioni storici e la ricostruzione delle linee di trasmissione delle malattie.

Sebbene sviluppato per la neuroimmagine, ComSLI è applicabile anche ad altri tessuti, tra cui ossa, muscoli e campioni vascolari. Questa capacità di mappare l'orientamento e l'organizzazione complessa delle fibre attraverso tessuti, patologie e preparazioni di campioni fornisce ai ricercatori uno strumento prezioso per approfondire la nostra comprensione della patologia e della relazione tra struttura e funzione dei tessuti.

"Sebbene abbiamo appena presentato il metodo, abbiamo già ricevuto numerose richieste di scansione di campioni e di replicazione della configurazione ComSLI: molti laboratori e cliniche desiderano disporre di informazioni sull'orientamento delle fibre e sulla microconnettività con risoluzione micrometrica nelle loro sezioni istologiche", ha concluso Georgiadis. "Un altro progetto entusiasmante è quello di tornare ad archivi cerebrali ben caratterizzati od a sezioni cerebrali di personaggi famosi e recuperare queste informazioni sulla microconnettività, rivelando 'segreti' che si ritenevano perduti da tempo. Questa è la bellezza di ComSLI."

ENGLISH

A new method has revolutionized our ability to map tissue fiber orientation and organization across tissues, diseases and sample preparations.

An international group of researchers led by Marios Georgiadis from Stanford Medicine (CA, USA) has recently developed a simple, low-cost method for mapping tissue fibers at micrometer resolution. Originally designed to analyze brain sections, the novel method – called computational scattered light imaging (ComSLI) – has provided insights into neurodegeneration and demonstrated potential for analyzing tissues beyond the brain, contributing to a broader understanding of health and disease.

Tissues are composed of networks of microscopic fibers, each with a specific orientation and organization that contributes to the tissue’s specialized function: for example, muscle fibers coordinate mechanical forces and brain fibers transmit signals that underlie cognition. However, existing methods for visualizing these fibers – such as diffusion MRI, electron microscopy and small-angle X-ray scattering – have drawbacks, forcing researchers to compromise when it comes to resolution, tissue volume, expense or sample preparation.

To overcome the limitations of current methods, the research team developed ComSLI, an optical microscopy method that utilizes a directed rotating LED light and a high-resolution camera to recover fiber orientation maps from animal and human tissues, regardless of their age, storage conditions or the staining protocol used. ComSLI works under the principle that light scatters differently depending on the orientation of the material it passes through. By rotating this LED light and recording how that affects scattering, software algorithms can then recognize the scattered light patterns and produce color-coded maps that indicate the density and orientation of fibers within a sample.

This method is particularly celebrated for its simplicity and flexibility. “This is a tool that any lab can use. You don’t need specialized preparation or expensive equipment. What excites me most is that this approach opens the door for anyone, from small research labs to pathology labs, to uncover new insights from slides they already have,” commented co-senior author Michael Zeineh (Stanford).

Applying ComSLI to their study of neurodegeneration in the hippocampus, the team compared entire formalin-fixed, paraffin-embedded brain tissue samples from a patient with Alzheimer’s disease and a healthy individual. They found that the Alzheimer’s sample displayed significant deterioration in the hippocampus, with the perforant pathway – a key memory-related signaling pathway – almost undetectable, which presented a stark contrast to the densely fibered healthy brain sample.

To test the new method’s versatility for analyzing tissue samples of different ages and varied preparations, the team used ComSLI to image a brain section prepared in 1904. The technique successfully captured intricate fiber pathways, demonstrating its potential for studying historical samples and tracing disease lineages.

Although developed for neuroimaging, ComSLI is also applicable to other tissues, including bone, muscle and vascular samples. This ability to map intricate fiber orientation and organization across tissues, diseases and sample preparations provides researchers with an invaluable tool for deepening our understanding of pathology as well as the relationship between tissue structure and function.

“Although we just presented the method, there are already multiple requests for scanning samples and replicating the ComSLI setup – so many labs and clinics would like to have micron-resolution fiber orientation and micro-connectivity on their histology sections,” Georgiadis concluded. “Another exciting plan is to go back to well-characterized brain archives or brain sections of famous people, and recover this micro-connectivity information, revealing ‘secrets’ that have been considered long lost. This is the beauty of ComSLI.”

Da:

https://www.biotechniques.com/imaging/a-micron-resolution-map-for-navigating-tissue-fiber-networks/