L’istologia virtuale a multiscala è uno sviluppo recente della micro e nano-tomografia con raggi X che permette di visualizzare tessuti biologici in 3D in modo non invasivo, senza sezionare cioè il campione come avviene in un’istologia clinica classica. A risoluzioni sub-micrometriche, la visione in 3D consente di determinare l’architettura complessa di un tessuto, di classificare e quantificare i diversi tipi di cellule e di analizzare l’interfaccia tra diversi sistemi (per esempio quelli nervoso e microvascolare). A risoluzioni meno spinte (5-10 μm) è possibile portare questa osservazione su dei modelli animali per studiare in-vivo, e nel corso del tempo, l’evoluzione di una patologia specifica o gli effetti di una determinata terapia. 

Il prof. Alberto Bravin, già scienziato presso lo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) tra il 1999 ed il 2021, dove è stato responsabile del laboratorio di imaging biomedico e di radioterapia innovativa e, dal 2021, ordinario di Fisica applicata presso il Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca, è uno dei pionieri in questo campo, avendo messo a punto l’istologia virtuale assieme a una rete di collaboratori europei. 

Per la sua realizzazione, l’istologia virtuale necessita di fasci di raggi X molto intensi e con caratteristiche di coerenza spaziale (cioè emessi da una sorgente quasi puntiforme) e temporale (raggi X quasi monocromatici) che sono attualmente disponibili solo presso le sorgenti di luce di sincrotrone, come per esempio Elettra a Trieste o ESRF in Francia. L’accesso dei ricercatori a tali strumenti è però limitato dato il loro esiguo numero. 

Le sorgenti di raggi X di tipo “Inverse Compton Scattering” sono una nuova opportunità per colmare questo gap e portare l’istologia virtuale con raggi X all’interno delle università. Il primo prototipo italiano di questa sorgente di raggi X (in Europa ce n’è solamente una operativa e una seconda in fase di realizzazione), denominata STAR (Southern Europe Thomson Back-Scattering Source for Applied Research), è in fase avanzata di costruzione da parte dell’INFN a Rende (CS) presso l’Università della Calabria. 

Ed è proprio in questo ambito che il 7 giugno scorso, alla presenza del ministro dell’Università e della Ricerca Prof. Cristina Messa, l’Università di Milano-Bicocca ha firmato un accordo con l’Università della Calabria con il fine di supportare il completamento dell’infrastruttura STAR e di aiutarne la sua valorizzazione, anche grazie alla condivisione delle attività istituzionali e scientifiche del prof. Alberto Bravin. STAR, inclusa nell’elenco delle Infrastrutture di Ricerca di interesse nazionale (PNIR-2021-2027) è stata finanziata mediante fondi europei attraverso due progetti PON. Le applicazioni non saranno confinate al campo medico, ma includeranno anche la conservazione e valorizzazione dei beni culturali e la scienza dei materiali, ambiti di comune interesse delle due Università. 

Nello specifico, la macchina prevede due stazioni sperimentali: una per applicazioni di alta energia (fino a 350 keV) per analisi di oggetti densi e manufatti artistici di grandi dimensioni; la seconda linea, di bassa energia (fino a 160 keV), sarà invece dedicata all’indagine della materia biologica ed allo studio di polimeri e bio-materiali. 

I ricercatori potranno condurre i loro esperimenti nelle stazioni sperimentali di STAR, che è concepita come una facility aperta agli utenti sulla base dell’eccellenza scientifica dei programmi di ricerca proposti. I ricercatori che vi accederanno potranno lavorare in sinergia con altri centri internazionali e avranno l’opportunità di preparare i loro campioni e avviare immediatamente l’analisi dei dati ottenuti direttamente nei sei laboratori di supporto che completano l’offerta dell’Infrastruttura. 

Referenze bibliografiche

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Barbone GE, Bravin A, Mittone A, Pacureanu A, Mascio G, Di Pietro P, Kraiger MJ, Eckermann M, Romano M, Hrabě de Angelis M, Cloetens P, Bruno V, Battaglia G, Coan P. “X-ray multiscale 3D neuroimaging to quantify cellular aging and neurodegeneration postmortem in a model of Alzheimer’s disease”. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2022 Jul 19. doi: 10.1007/s00259-022-05896-5

Romano M, Bravin A PhD, Wright MD, Jacques L, Miettinen A, Hlushchuk R, Dinkel J, Bartzsch S, Laissue JA, Djonov V, Coan P. “X-Ray Phase Contrast 3D Virtual Histology: Evaluation of Lung Alterations After Microbeam Irradiation”. Int J Radiat Oncol Biol Phys.  2022, Vol.112, Issue 3, 1 March, 818-830

J.-L. Cercos-Pita, L. Fardin, H. Leclerc, B. Maury, G. Perchiazzi, A. Bravin, S. Bayat “Lung tissue biomechanics imaged with synchrotron phase contrast microtomography in live rats”, Scientific Reports 2022, Mar 23;12(1):5056. doi: 10.1038/s41598-022-09052-9

Immagine tomografica (sezione assiale) del midollo spinale umano, fissato in formalina (voxel 8x8x8 μm3) e acquisita utilizzando la tecnica del contrasto di fase (gM: materia grigia, wM: materia bianca). Riprodotto con permesso da Barbone et al. Radiology 2021 98(1):135-146.

A sinistra. Immagine tomografica (sezione assiale) del lobo di un polmone realizzata in-vivo su un ratto anestetizzato e in apnea artificiale, utilizzando la tecnica del contrasto di fase e la ricostruzione tomografica retrospettica (voxel 6.5×6.5×6.5 μm3). A destra. Ricostruzione 3D di un acino polmonare (in-vivo), dopo la segmentazione delle immagini tomografiche. Tratto da Fardin et al. Scientific Reports (2021) 11:4236