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I sistemi tissutali complessi sono composti da distinte sottopopolazioni cellulari le cui posizioni spaziali e reti di interazione sono profondamente intrecciate con le loro funzioni e disfunzioni 1,2. Per rivelare l'architettura del tessuto e interrogarne la complessità, è essenziale la conoscenza delle posizioni spaziali delle proteine a risoluzione monocellulare. Quindi, le tecnologie di imaging proteico altamente multiplexed sono state sempre più apprezzate e potrebbero diventare una pietra miliare per lo studio della biologia dei tessuti 3,4,5. Gli attuali metodi comuni di imaging delle proteine multiplexate possono essere classificati in due categorie principali. Uno è l'imaging a immunofluorescenza seriale che si basa su più cicli di colorazione e imaging dei tessuti, e l'altro è la citometria di massa accoppiata con anticorpi marcati con metalli pesanti 6,7,8,9,10,11,12.
Qui viene introdotta una strategia alternativa per l'imaging proteico a base di anticorpi multiplexati. A differenza della modalità di imaging a fluorescenza prevalente, che può visualizzare solo 4-5 canali contemporaneamente a causa degli ampi spettri di eccitazione ed emissione (larghezza intera a metà massimo (FWHM) ~ 500 cm-1), la microscopia Raman presenta una larghezza di linea spettrale molto più stretta (FWHM ~ 10 cm-1) e quindi fornisce multiplextà scalabile. Recentemente, sfruttando lo spettro ristretto, è stato sviluppato un nuovo schema di microscopia Raman chiamato microscopia elettronica a dispersione Raman stimolata dalla pre-risonanza (epr-SRS), fornendo una potente strategia per l'imaging multiplexato13. Sondando le modalità vibrazionali accoppiate elettronicamente dei coloranti Raman, epr-SRS ottiene un drastico effetto di miglioramento di10 13 volte sulle sezioni trasversali Raman e supera il collo di bottiglia di sensibilità della microscopia Raman convenzionale (Figura 1A)13,14,15. Di conseguenza, il limite di rilevazione di epr-SRS è stato spinto al di sotto di μM, il che consente il rilevamento Raman di interessanti marcatori molecolari come proteine e organelli specifici all'interno delle cellule13,16. In particolare, utilizzando anticorpi coniugati con colorante Raman, l'imaging epr-SRS di proteine specifiche in cellule e tessuti (chiamato immuno-eprSRS) è stato dimostrato con sensibilità comparabile all'immunofluorescenza standard (Figura 1B)13,17. Regolando la lunghezza d'onda della pompa di soli 2 nm, il segnale epr-SRS sarà completamente spento (Figura 1B), che mostra un elevato contrasto vibrazionale.
Sul lato della sonda, è stata sviluppata una serie di sonde Raman arcobaleno chiamate coloranti Manhattan Raman scattering (MARS) per la coniugazione anticorpale 13,18,19,20. Questa tavolozza Raman unica è composta da nuovi coloranti con tripli legami coniugati π (materiale supplementare), ognuno dei quali mostra un picco epr-SRS singolo e stretto nell'intervallo spettrale Raman bioortogonale (Figura 1C). Modificando la struttura del cromoforo del nucleo e modificando isotopicamente entrambi gli atomi del triplo legame (Materiale Supplementare), sono state sviluppate sonde Raman separate spettralmente. Sfruttando la multiplexità scalabile, la microscopia epr-SRS abbinata alla tavolozza dei coloranti MARS offre una strategia ottica per l'imaging di proteine multiplex one-shot in cellule e tessuti.
Immuno-eprSRS fornisce una strategia alternativa agli attuali metodi di imaging delle proteine multiplex con punti di forza unici. Rispetto agli approcci di fluorescenza con colorazione ciclica, imaging e rimozione del segnale, questa piattaforma basata su Raman garantisce colorazione e imaging a singolo tondo. Pertanto, aggira la complessità pratica nelle procedure cicliche e semplifica in gran parte il protocollo, aprendo così nuovi territori di imaging di proteine multiplexate. Ad esempio, sfruttando un protocollo di compensazione dei tessuti su misura per il colorante Raman, l'immuno-eprSRS è stato esteso a tre dimensioni per la mappatura di proteine altamente multiplexate in tessuti intatti spessi17. Oltre 10 bersagli proteici sono stati visualizzati lungo tessuti cerebrali di topo spessi millimetri17. Più recentemente, l'accoppiamento di immuno-eprSRS con un protocollo di microscopia di espansione a ritenzione di biomolecole ottimizzato (ExM)protocollo 21, è stato anche dimostrato l'imaging su scala nanometrica one-shot di più bersagli22. Rispetto alla spettroscopia di massa 4,9, epr-SRS non è distruttivo e ha intrinsecamente capacità di sezionamento ottico. Inoltre, epr-SRS è più efficiente in termini di tempo nella scansione dei tessuti. In genere, una regione di tessuto di 0,25 mm2 con una dimensione dei pixel di 0,5 μm richiede solo pochi minuti per l'immagine per un singolo canale epr-SRS. Ad esempio, il tempo totale di imaging di quattro canali SRS più quattro canali di fluorescenza nella Figura 4 è di circa 10 minuti.