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L'imaging biomedico ottico è stato fondamentale per far progredire la nostra comprensione della struttura e della funzione biologica. Le immagini sono generate modulando la luce di eccitazione e rilevando i segnali dalle interazioni luce-tessuto. Il primo microscopio composto, sviluppato da Hans e Zacharias Janssen intorno al 1590, utilizzava due lenti convesse in un tubo, fornendo un ingrandimento fino a 30x1. I moderni microscopi ottici, dopo secoli di progressi, possono ora raggiungere risoluzioni fino a 1-3 nm 2,3. Oltre a offrire un'alta risoluzione, i sistemi di imaging avanzati offrono ora una penetrazione più profonda nei tessuti, una maggiore efficienza e danni minimi al campione, rendendoli particolarmente adatti per l'imaging di cellule vive e tessuti. L'imaging label-free è particolarmente vantaggioso in quanto acquisisce le informazioni senza interrompere i processi intracellulari o compromettere l'integrità del campione.
La microscopia a fluorescenza multifotone (MPF), in particolare la microscopia a fluorescenza a due fotoni, è stata ampiamente utilizzata per l'imaging label-free. A differenza della microscopia a fluorescenza convenzionale, che si basa sull'assorbimento e l'emissione lineare di un singolo fotone, l'eccitazione MPF comporta l'assorbimento simultaneo di più fotoni, la cui energia combinata eccita una singola molecola di fluoroforo 4,5. Questi fotoni, tipicamente nello spettro infrarosso, possiedono la metà o meno dell'energia richiesta per l'eccitazione di un singolo fotone. Le lunghezze d'onda più lunghe e l'eccitazione localizzata nel punto focale di questo processo non lineare si traducono in una minore diffusione, una penetrazione più profonda nei tessuti e una ridotta fototossicità.
Le informazioni metaboliche cellulari possono essere acquisite mediante microscopia MPF label-free attraverso il rilevamento di segnali di autofluorescenza da substrati metabolici endogeni, come la riduzione della nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) e la flavina adenina dinucleotide (FAD). Questi coenzimi mostrano spettri di eccitazione ed emissione distinti e il loro rapporto di intensità della fluorescenza, noto come rapporto redox (NADH/FAD), riflette lo stato ossidativo della cellula. Da quando Britton Chance ha introdotto per la prima volta il concetto di rapporto redox nel 1979, sono stati proposti rapporti aggiuntivi, tra cui NAD(P)H/FAD, NAD(P)H/(FAD + NAD(P)H) e FAD/(FAD + NAD(P)H), 6,7,8,9. La quantificazione di questi rapporti ottici redox tramite l'imaging MPF fornisce preziose informazioni sulle dinamiche metaboliche. Ad esempio, l'imaging MPF può distinguere le cellule tumorali dalle cellule normali in base al loro metabolismo alterato, dimostrando il suo potenziale per la diagnosi del cancro 10,11,12. Tuttavia, il rilevamento dell'autofluorescenza basato su MPF presenta dei limiti. Altri fluorofori intrinseci, come la cheratina, possono contribuire all'intensità della fluorescenza, portando a diafonia spettrale e interpretazione imprecisa del segnale13. Inoltre, il rapporto redox riflette solo i cambiamenti complessivi di ossidoriduzione cellulare e non distingue tra NADH proveniente da fonti diverse (ad esempio, citoplasmatico o mitocondriale) o tra NADH e NAD(P)H, poiché entrambi mostrano picchi spettrali simili a 450 nm, risultando in segnali di intensità miscelati14.
La Second Harmonic Generation (SHG), un processo ottico non lineare dimostrato per la prima volta in campo biomedico negli anni '80, è stato ampiamente utilizzato per l'imaging label-free di strutture cellulari15,16. Simile all'MPF, l'SHG comporta l'assorbimento simultaneo di due fotoni della stessa energia da un laser pulsato ultraveloce. Questi fotoni vengono ricombinati per emettere un nuovo fotone a una frequenza doppia rispetto alla luce incidente, con conseguente rilevamento del segnale della seconda armonica. Questa interazione ottica non lineare si verifica esclusivamente in materiali non centrosimmetrici che mostrano una suscettibilità del secondo ordine diversa da zero per indurre una polarizzazione per generare il segnale della seconda armonica17,18. Ciò rende l'SHG particolarmente efficace per l'imaging delle proteine filamentose e delle strutture fibrillari, come il collagene, la miosina e la tubulina, senza richiedere coloranti a fluorescenza esogena 15,17,19,20. L'anomalia nell'abbondanza, nella rigidità, nell'allineamento e nella struttura della fibrosi e del collagene sono prevalenti in molte condizioni come l'infiammazione e il cancro, rendendo l'SHG uno strumento promettente per il rilevamento efficiente e non invasivo di alcune condizioni patologiche 21,22,23. L'ampia applicazione dell'imaging SHG nella ricerca oncologica, compresi gli studi sui tumori al seno, alle ovaie e alla pelle, ha evidenziato il suo ruolo cruciale sia nella ricerca di base che nelle potenziali applicazioni cliniche 24,25,26,27.
Diverse molecole esibiscono livelli distinti di energia vibrazionale, che inducono vari gradi di dispersione anelastica quando eccitati dalla luce incidente, un fenomeno caratterizzato per la prima volta da C. V. Raman nel 192828. Da allora l'effetto Raman è stato ampiamente utilizzato nella microscopia ottica per la rilevazione di composizioni molecolari e tissutali senza marcatura esogena. Sia lo Stimulated Raman Scattering (SRS) che il coerente anti-Stokes Raman Scattering (CARS) eccitano le vibrazioni molecolari in modo coerente e sfruttano l'interazione non lineare della luce per produrre un segnale più forte rispetto alla convenzionale spettroscopia Raman spontanea. Il fenomeno SRS è stato segnalato per la prima volta nel 196229. Nel 2008, questo meccanismo è stato integrato nell'imaging multifotone tridimensionale, consentendo il rilevamento selettivo di sostanze chimiche in base alle variazioni di intensità nei fasci di Pump e Stokes dovute alle transizioni vibrazionali molecolari30. Questo metodo riduce al minimo l'interferenza di fondo non risonante, generando un segnale di intensità pulita che supera quello delle CARS. L'imaging SRS eccelle nel fornire immagini multiplex e iperspettrali, consentendo il rilevamento simultaneo di più legami chimici e consentendo la visualizzazione ad alta risoluzione della composizione molecolare in campioni con una notevole profondità di penetrazione. Sebbene sia una tecnica relativamente nuova, l'imaging SRS si è dimostrato efficace sia nella diagnostica clinica che nella ricerca metabolica, in vivo e in vitro 30,31,32,33,34,35,36. Ad esempio, la SRS può differenziare i tessuti infiltrati nel tumore cerebrale dalla corteccia e dalla sostanza bianca quantificando il rapporto lipidi/proteine, consentendo la delineazione dei margini tumorali in modo non invasivo e senza marcature37,38. Inoltre, le alterazioni metaboliche, spesso considerate segni distintivi di malattie legate all'invecchiamento e associate al cancro, possono essere valutate quantitativamente utilizzando la SRS ottenuta rilevando i legami carbonio-deuterio in campioni trattati con acqua pesante (D2O), consentendo la misurazione quantitativa della sintesi proteica, della lipogenesi e di altri processi metabolici macromolecolari 31,33,34,35,36. La capacità di tracciare i metaboliti con un'elevata risoluzione temporale e spaziale posiziona la SRS come uno strumento promettente per l'indagine e la diagnosi delle malattie, con un potenziale per applicazioni cliniche più ampie.
L'imaging multimodale è emerso come un approccio potente nella ricerca biomedica, integrando due o più modalità di imaging per ottenere una comprensione più completa di sistemi biologici complessi all'interno dello stesso campione. Nel 2018 è stata introdotta una tecnica di microscopia multiarmonica autofluorescenza senza marcatura (SLAM), che integra la fluorescenza a due fotoni (2PF), la fluorescenza a tre fotoni (3PF), l'SHG e la terza generazione armonica (THG)39. Questo approccio facilita la visualizzazione simultanea delle interazioni cellulari, dei processi dinamici e dei singoli componenti all'interno del microambiente tumorale. La microscopia SLAM offre una perturbazione minima e requisiti di potenza laser ridotti per il campione, consentendo la profilazione profonda dei tessuti e fornendo un metodo più sicuro per il monitoraggio intravitale40. Un'altra modalità multimodale, che combina la spettroscopia di fluorescenza intrinseca, la spettroscopia di riflettanza diffusa e la spettroscopia Raman, è stata sviluppata per il rilevamento del cancro in situ durante le procedure chirurgiche41. Inoltre, un sistema di endoscopia non lineare multimodale di recente progettazione, che integra CARS, SHG e fluorescenza a due fotoni (TPF), ha dimostrato la capacità di visualizzare campioni biologici con risoluzione spaziale sub-micronica e sub-cellulare42. La microscopia combinata 2PF e SRS è stata utilizzata in modo simile per l'imaging in vivo ad alta risoluzione di tessuti, cellule e organelli 42,43,44,45. Queste tecniche di imaging multimodale emergenti sfruttano i punti di forza delle singole modalità, portando a una migliore risoluzione, profondità di penetrazione ed efficienza di acquisizione delle immagini, mostrando così un notevole potenziale per applicazioni cliniche e chirurgiche.
Questo approccio multimodale è sempre più favorito rispetto all'imaging monomodale perché fornisce una gamma più ampia di misurazioni mitigando al contempo le limitazioni associate alle singole tecniche. Come discusso in precedenza, l'MPF misura la fluorescenza endogena per riflettere i cambiamenti metabolici, l'SHG può visualizzare strutture non centrosimmetriche come il collagene in campioni biologici e l'SRS rileva prevalentemente proteine e lipidi a causa dell'alta densità di legami chimici che generano segnali Raman distintivi in base alle loro modalità vibrazionali. Date le loro proprietà coerenti e il principio condiviso delle proprietà ottiche non lineari, queste modalità di imaging possono essere integrate in un'unica configurazione di microscopio utilizzando laser pulsati ultracorti, consentendo l'acquisizione di vari biomarcatori in regioni localizzate per fornire una visione più completa dei processi biologici44,45. Questo documento delinea un protocollo per l'implementazione di una piattaforma di imaging multimodale che integra MPF, SHG e SRS per applicazioni di ricerca biomedica.