Gli ossicini uditivi alla luce dei raggi X: una nuova tecnica rivela le strutture a tempo di record

I materiali biologici sono capolavori creati dalla natura. Le ossa, ad esempio, sono molto dure, ma allo stesso tempo abbastanza elastiche da non rompersi facilmente sotto un carico laterale. Devono questa combinazione di proprietà alla loro struttura gerarchica di materiali compositi, cioè alla combinazione di materiali che hanno strutture diverse su scale dimensionali diverse. Anche i materiali compositi creati dall'uomo hanno una composizione simile. Nel calcestruzzo armato, ad esempio, il componente in calcestruzzo, costituito da cemento e sabbia, resiste alle alte pressioni, mentre una rete di acciaio fornisce resistenza alla trazione e stabilità trasversale.

Finora, per analizzare in dettaglio questi materiali biologici erano necessari diversi strumenti, come microscopi elettronici o microscopi ottici convenzionali. I ricercatori del Centre for Photon Science del PSI hanno ora perfezionato un metodo di diffrazione dei raggi X sviluppato presso l'istituto dieci anni fa, in modo da poterlo utilizzare per caratterizzare simultaneamente i materiali su scale di lunghezza che vanno dai nanometri ai millimetri, molto più velocemente di prima. Invece di impiegare circa un giorno come in precedenza, un'immagine completa richiede ora solo un'ora.

Per dimostrare l'efficacia del metodo, i ricercatori hanno utilizzato la sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS e hanno visualizzato l'allineamento delle fibre di collagene in un ossicino umano, la cosiddetta incudine. Le fibre di collagene sonostrutture proteiche filiformiche forniscono resistenza alla trazione ed elasticità all'osso. "Abbiamo così fatto il salto dal metodo scientifico alla pratica", afferma Christian Appel, ricercatore post-dottorato e primo autore dello studio. I risultati sono stati pubblicatisulla rivista Small Methods. In futuro, potrebbero fornire servizi preziosi per lo studio di tessuti complessi, l'analisi di malattie ossee o l'ottimizzazione di progetti di impianti, tra le altre cose.

Risoluzione spaziale attraverso la scansione

Da un lato, i raggi X possono essere utilizzati per la classica fluoroscopia, come la conosciamo negli ospedali. Ciò che non viene assorbito dal tessuto passa dall'altra parte, dove diventa visibile come un'immagine in ombra. D'altra parte, i raggi X come quelli utilizzati all'SLS possono essere usati anche per visualizzare strutture cristalline su scala nanometrica, sfruttando il fenomeno dell'interferenza.

Durante l'interferenza, le onde elettromagnetiche dei raggi X diffuse dagli strati atomici disposti regolarmente nel cristallo si sovrappongono. A seconda della direzione di diffusione, esse percorrono distanze diverse fino alla telecamera a raggi X, dove vengono registrate, e vi arrivano con fasi di oscillazione diverse, ossia con un comportamento d'onda leggermente spostato. Di conseguenza, possono amplificarsi o annullarsi a vicenda. Il modello di interferenza risultante può essere utilizzato per calcolare la struttura del cristallo e il suo orientamento nello spazio.

Le più sottili fibrille di collagene nell'osso sono visibili solo su scala nanometrica, mentre le strutture tissutali più grossolane possono essere riconosciute nella gamma dei micro-millimetri. Dieci anni fa, i ricercatori del PSI guidati da Marianne Liebi hanno sviluppato una tecnica speciale nota come tomografia tensoriale per visualizzare contemporaneamente entrambe le scale di lunghezza. Il campione da analizzare viene ruotato passo dopo passo e con precisione attorno a due assi. Un fascio di raggi X largo solo una ventina di micrometri genera un modello di interferenza a ogni passo, che viene registrato da una telecamera. "Questa scansione registra gradualmente informazioni sulle proprietà locali del cristallo", spiega Marianne Liebi, autrice principale del nuovo studio.

Un programma informatico calcola quindi un'immagine tridimensionale dell'intero campione a partire da milioni di immagini di interferenza, il cosiddetto tomogramma. Inizialmente l'intero processo richiedeva fino a un giorno, rendendo quasi impossibili gli studi statistici con centinaia di campioni diversi, come richiesto dalla moderna ricerca biomedica. "Ora abbiamo perfezionato il metodo in modo da poter registrare un tomogramma completo in poco più di un'ora", spiega Meitian Wang, scienziato della linea di fascio e coautore dello studio. Un'ampia collaborazione tra diversi gruppi di ricerca del PSI ha permesso di migliorare sia la tecnica di scansione, in cui l'oggetto deve essere posizionato in modo estremamente preciso e ruotato in piccoli passi, sia il software del computer, che calcola il tomogramma finito dai singoli modelli di interferenza.

Strutture di collagene nell'osso

"Per testare il nostro metodo migliorato, avevamo ancora bisogno di un campione interessante", spiega Appel. In collaborazione con i ricercatori dell'Ospedale Universitario di Losanna, è stato selezionato un minuscolo ossicino chiamato incudine, grande solo pochi millimetri, ma fondamentale per l'udito. L'energia sonora viene trasmessa dal timpano all'orecchio interno attraverso l'incudine. Se l'incudine è danneggiata a causa di un'infiammazione cronica dell'orecchio medio, ad esempio, a volte è necessario sostituirla parzialmente con una protesi. A tal fine, i medici desiderano conoscere esattamente l'aspetto dell'interno dell'incudine.

Le strutture di collagene e il loro orientamento spaziale nell'osso sono particolarmente informativi. Nell'osso, la proteina collagene svolge la funzione della rete d'acciaio nel cemento armato: fornisce stabilità ed elasticità allo stesso tempo. La direzione delle fibre di collagene può fornire informazioni sul modo migliore per fissare una protesi. Dai modelli di interferenza registrati durante la scansione a raggi X, il programma informatico è stato in grado di calcolare come le fibre di collagene sono allineate in media in molte minuscole sezioni dell'incudine che misurano appena 20 x 20 x 20 micrometri. In confronto, un capello umano ha un diametro di circa 50 micrometri.

Con il nuovo SLS, i ricercatori saranno in grado in futuro di migliorare significativamente questa risoluzione già molto elevata. Le dimensioni del fascio di raggi X si ridurranno a pochi micrometri e consentiranno misurazioni sempre più veloci grazie al flusso di raggi X più elevato. "La combinazione di una migliore risoluzione e di una maggiore velocità di misurazione apre possibilità completamente nuove per la tomografia tensoriale, soprattutto nelle applicazioni biomediche", afferma Christian Appel.