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Microscopia Generale, Appunti di Microscopia

In questi appunti vengono trattati i diversi tipi di microscopia.

Tipologia: Appunti

2020/2021

Caricato il 01/06/2022

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MICROSCOPIA
Si possono dividere i microscopi a seconda del tipo di onda utilizzata per visualizzare le immagini: microscopi
ottici e microscopi elettronici.
MICROSCOPIA OTTICA
Nei microscopi ottici ci si rende conto che durante l’ingrandimento, oltre un certo limite, non si presentano
ulteriori distinzioni nei particolari, cioè il potere di risoluzione non cresce. Quindi qualsiasi sistema di lenti si
usi non si possono distinguere come separati due punti che distano tra loro meno di 0,2 um. Perciò si dice
che l’ingrandimento utile fornito è di 1000 volte e il suo potere risolutivo è di 0,2 um.
I microscopi ottici si possono distinguere in microscopi a fluorescenza e microscopi confocali.
TIPI DI OBIETTIVO
Si sono diffusi sempre più microscopi i cui obiettivi proiettano l’immagine a una distanza infinita, perciò i
raggi che escono dall’obiettivo corrono quasi paralleli lungo il tubo microscopico. Questa immagine viene
ripresa da una lente intermedia e proiettata in un ben preciso piano focale del tubo microscopico, infine
l’immagine intermedia è ripresa dall’oculare e ulteriormente ingrandita. Questi obiettivi vengono chiamati
obiettivi all’infinito.
MICROSCOPIO A FLUORESCENZA
Il preparato viene illuminato con luce ultravioletta ad una determinata lunghezza d’onda e i suoi componenti
vengono esaminati in base alla fluorescenza emessa, come sorgente luminosa viene utilizzata una lampada
a vapori di mercurio che emette radiazioni ultraviolette.
La fluorescenza è il fenomeno per cui determinate sostanze colpite dalle radiazioni ultraviolette emettono
luce di lunghezza d’onda maggiore. Essa è dovuta al rilascio di energia da parte di elettroni, che venendo
eccitati dalla luce ultravioletta, passano da un orbitale a quello superiore, però essendo elettroni instabili
ritornano al punto di partenza restituendo l’energia assorbita sotto forma di calore e luce. Poiché parte
dell’energia assorbita viene ceduta sotto forma di calore, la luce emessa avrà un’energia minore di quella
eccitante e una maggiore lunghezza d’onda.
Si possono avere due tipi di fluorescenza: quella naturale (prodotta da sostanze presenti nel tessuto) e quella
secondaria (viene indotta da una colorazione con coloranti fluorescenti detti fluorocromi). Nel caso della
fluorescenza secondaria sono disponibile in commercio diversi tipi di fluorocromi. I più comuni sono l’arancio
di acridina che ha particolari affinità con gli acidi nucleici, lo ioduri di propidio che colora in rosso il DNA e il
DAPI che lo colora di blu.
Un tempo, nei microscopi a fluorescenza, la lampada a vapori di mercurio era messa sotto il condensatore,
per cui la luce ultravioletta attraversava il preparato eccitandolo. La luce ultravioletta, per evitare danno alla
vista, veniva poi fermata prima di arrivare all’oculare da appositi filtri di sbarramento, per cui all’occhio
dell’osservatore arrivavano solo i raggi luminosi emessi per fluorescenza.
Attualmente si preferisce utilizzare un sistema molto più sensibile denominato epifluorescenza. Tale
microscopio si avvale di una sorgente luminosa ad alta energia, di un filtro di eccitazione e uno specchio
dicroico.
Il vantaggio è che è semplice da usare, poco costoso ed ha medio-buona sensibilità.
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MICROSCOPIA

Si possono dividere i microscopi a seconda del tipo di onda utilizzata per visualizzare le immagini: microscopi ottici e microscopi elettronici.

MICROSCOPIA OTTICA

Nei microscopi ottici ci si rende conto che durante l’ingrandimento, oltre un certo limite, non si presentano ulteriori distinzioni nei particolari, cioè il potere di risoluzione non cresce. Quindi qualsiasi sistema di lenti si usi non si possono distinguere come separati due punti che distano tra loro meno di 0,2 um. Perciò si dice che l’ingrandimento utile fornito è di 1000 volte e il suo potere risolutivo è di 0,2 um. I microscopi ottici si possono distinguere in microscopi a fluorescenza e microscopi confocali. TIPI DI OBIETTIVO Si sono diffusi sempre più microscopi i cui obiettivi proiettano l’immagine a una distanza infinita, perciò i raggi che escono dall’obiettivo corrono quasi paralleli lungo il tubo microscopico. Questa immagine viene ripresa da una lente intermedia e proiettata in un ben preciso piano focale del tubo microscopico, infine l’immagine intermedia è ripresa dall’oculare e ulteriormente ingrandita. Questi obiettivi vengono chiamati obiettivi all’infinito. MICROSCOPIO A FLUORESCENZA Il preparato viene illuminato con luce ultravioletta ad una determinata lunghezza d’onda e i suoi componenti vengono esaminati in base alla fluorescenza emessa, come sorgente luminosa viene utilizzata una lampada a vapori di mercurio che emette radiazioni ultraviolette. La fluorescenza è il fenomeno per cui determinate sostanze colpite dalle radiazioni ultraviolette emettono luce di lunghezza d’onda maggiore. Essa è dovuta al rilascio di energia da parte di elettroni, che venendo eccitati dalla luce ultravioletta, passano da un orbitale a quello superiore, però essendo elettroni instabili ritornano al punto di partenza restituendo l’energia assorbita sotto forma di calore e luce. Poiché parte dell’energia assorbita viene ceduta sotto forma di calore, la luce emessa avrà un’energia minore di quella eccitante e una maggiore lunghezza d’onda. Si possono avere due tipi di fluorescenza: quella naturale (prodotta da sostanze presenti nel tessuto) e quella secondaria (viene indotta da una colorazione con coloranti fluorescenti detti fluorocromi ). Nel caso della fluorescenza secondaria sono disponibile in commercio diversi tipi di fluorocromi. I più comuni sono l’arancio di acridina che ha particolari affinità con gli acidi nucleici, lo ioduri di propidio che colora in rosso il DNA e il DAPI che lo colora di blu. Un tempo, nei microscopi a fluorescenza, la lampada a vapori di mercurio era messa sotto il condensatore, per cui la luce ultravioletta attraversava il preparato eccitandolo. La luce ultravioletta, per evitare danno alla vista, veniva poi fermata prima di arrivare all’oculare da appositi filtri di sbarramento, per cui all’occhio dell’osservatore arrivavano solo i raggi luminosi emessi per fluorescenza. Attualmente si preferisce utilizzare un sistema molto più sensibile denominato epifluorescenza. Tale microscopio si avvale di una sorgente luminosa ad alta energia, di un filtro di eccitazione e uno specchio dicroico. Il vantaggio è che è semplice da usare, poco costoso ed ha medio-buona sensibilità.

MICROSCOPIO CONFOCALE

La microscopia confocale nasce nel 1957. Il microscopio confocale focalizza solo un determinato piano per volta, eliminando le informazioni luminose che provengono da zone sovra e sottofuoco, ciò avviene per mezzo di una piccola apertura. Il sistema somiglia per certi aspetti a quello della microscopia per epifluorescenza; la sorgente luminosa è data da un fascio laser che viene concentrato in un foro (foro confocale) la cui immagine, riflessa da uno specchio dicroico, viene focalizzata dall’obbiettivo solo in un ben definito punto dell’oggetto sotto osservazione i cui organuli sono stati marcati con uno o più fluorocromi. La luce emessa da quello stesso punto per fluorescenza, tornando indietro, attraversa lo specchio dicroico e viene focalizzata dall’obbiettivo su un secondo foro confocale; a questo punto la luce viene raccolta da un apposito rilevatore che registra l’informazione. PRO: miglioramento qualità immagine, rapidità acquisizioni immagini, sezionamento ottico xy e z, costruzione 3D del campione. CONTRO: costo elevato, alto rischio di photobleaching e alta fotossicità. Il microscopio confocale consente, inoltre, di studiare la mobilità e le interazioni delle molecole mediante delle tecniche FRAP e FRET. La tecnica FRAP è semplice ed è utilizzata per misurare la mobilità delle molecole: si avvale del photobleaching (fotosbiancamento delle molecole fluorescenti di una definita zona tramite un’intensa illuminazione, in genere usando la luce laser). Il recupero di fluorescenza è registrato nel corso del tempo. La tecnica FRET permette di studiare le interazioni tra le molecole. Si avvale del quenching (letteralmente smorzamento) che consiste nel trasferimento di energia da una molecola fluorescente (donatrice) a un’altra molecola fluorescente (accettore), che si trova fisicamente vicino al fluorocromo eccitato (donatore). Il fenomeno del trasferimento di energia avviene se i due fluorocromi distano meno di 10 nm. ALLESTIMENTO DEI CAMPIONI I due principali procedimenti di analisi morfologica sono l’osservazione diretta di cellule e di tessuti viventi oppure di cellule e di tessuti uccisi con procedimenti che ne conservano le immagini il più possibile simili a quelle degli elementi cellulari viventi, ovvero dopo fissazione. METODI DI STUDIO DI CELLULE E TESSUTI UCCISI I metodi di osservazione di cellule e tessuti allo stato vitale, per quanto in linea teorica preferibili perché consentono lo studio dinamico delle strutture in assenza degli artefatti che sono fatalmente prodotti dalla fissazione e dalle colorazioni. FASI DEL PROCESSO DI OSSERVAZIONE:  Fissazione  Disidratazione  Inclusione  Sezionamento  Colorazione istologica

MICROSCOPIA ELETTRONICA

Gran parte delle strutture subcellulari sfugge all’analisi microscopica classica (microscopia ottica) in quanto la capacità risolutiva del microscopio ottico è intimamente legata alla lunghezza d’onda della luce, nel campo del visibile (400-800nm). Con il microscopio elettronico, il campione in esame viene colpito da un fascio di elettroni. Permette di riconoscere le diverse fasi e costituenti del campione, con una perdita rilevante di risoluzione e della tridimensionalità dell’immagine fornita dall’osservazione degli elettroni secondari. MICROSCOPIO ELETTRONICO A TRASMISSIONE Visto che il limite risolutivo del microscopio ottico è uguale a circa ½ λ, i limiti imposti dalla lunghezza d’onda della luce possono essere superati soltanto utilizzando radiazioni a lunghezza d’onda minori. È noto da tempo che un fascio di elettroni viene focalizzato secondo le stesse leggi dell’ottica convenzionale. Se un fascio di elettroni viene accelerato a forte velocità, alle particelle cariche negativamente in movimento è associata una radiazione la cui lunghezza d’onda è calcolabile in base alla formula 3.2 (V è la differenza di potenziale impiegata per accelerare gli elettroni.

Λ = √ 150/V

Su queste basi E. Ruska costruì il primo microscopio elettronico dove la sorgente luminosa era sostituita da una fonte di elettroni e le cui lenti erano date da elettromagneti; con questi apparecchi si poteva raggiungere un limite di risoluzione inferiore a 0,1 nm. Il potere di risoluzione in microscopia elettronica non è di quest’ordine di grandezza, in quanto le lenti magnetiche sono caratterizzate da un angolo di apertura abbastanza piccolo. I più moderni strumenti possono raggiungere un potere di risoluzione di circa 0,2 nm. Gli elettroni attraversano il campione e vengono in parte assorbiti, in parte deviati e in parte trasmessi continuando il loro percorso. Questi ultimi contribuiscono a formare un’immagine su uno schermo fluorescente oppure possono essere osservati su un monitor televisivo o impressionano una lastra fotografica. Da qualche tempo l’immagine viene inviata tramite telecamera ad appositi elaboratori elettronici, trasformati in digitale e conservata su rapporti informatici. ALLESTIMENTO DEI CAMPIONI Il materiale biologico è sottoposto ad una serie di fasi di preparazione.

  1. Prelievo: è l’operazione fisica con la quale si ottiene il campione da esaminare. Subito dopo il prelievo il campione deve essere lavato con il tampone per eliminare sostanze contaminanti o frammenti di materiale.
  2. Fissazione: i fissativi più adoperati in microscopia elettronica sono il tetrossido di osmio e la glutaraldeide, opportunamente tamponati. I tamponi sono sostanze veicolanti per i fissativi. I più usati sono il tampone fosfato ed il tampone cacodilato. I tamponi fosfati non sono tossici, ma tendono ad essere contaminati da microrganismi. I cacodilati sono velenosi perché contengono arsenico e non vengono facilmente contaminati. In genere, la prefissazione in glutaraldeide viene fatta seguire da una post-fissazione con acido osmico. Quest’ultimo agisce anche come colorante sia a causa del suo elevato numero atomico sia perché si lega come osmio ridotto alle lipoproteine e ad altri costituenti della cellula.
  3. Disidratazione: il suo compito è quello di rimuovere tutta l’acqua nei campioni. Il tessuto viene sottoposto a disidratazione in concentrazioni crescenti di alcol etilico o acetone. In questo modo l’acqua viene rimossa gradualmente evitando violente radiazioni osmotiche.
  1. Inclusione e sezionamento: per ottenere sezioni molto sottili si fa ricorso a mezzi d’inclusione, fra i quali i più adoperati sono monomeri acrilici o resine epossidiche che impregnano il tessuto e vengono poi fatti polimerizzare mediante un adatto catalizzatore. POLIMERIZZAZIONE: I campioni vengono inseriti in appositi contenitori. Si riempiono di resina tanto celle quanti sono i campioni. Se si formano bolle d’aria devono essere rimosse o fatte scoppiare con oggetti appuntiti. Con la punta dello stuzzicadenti si preleva il campione e si deposita nella cella. Si mette la formella nella stufetta per 3 giorni a 60 gradi. Finito il tempo di polimerizzazione si toglie la formella e si recuperano i blocchetti. Per ottenere sezioni dello spessore di 50-80 nm si ricorre a speciali microtomi, detti ultramicrotomi, ad avanzamento termico o meccanico, che utilizzano lame di vetro o di diamante (l’elemento maggiormente usato è l’uranio). Le sezioni così ottenute sono distese su una pellicola estremamente sottile di collodio, di carbone o di altra sostanza applicata su un retino metallico.
  2. Colorazione o contrasto: per aumentare il contrasto del preparato si fa ricorso ai cosiddetti coloranti elettronici, che sono sali di atomi pesanti, come l’acetato di uranile o il citrato di piombo, i quali, in certe condizioni, si legano elettivamente a certe strutture del preparato aumentandone il contrasto. Una tecnica molto importante per lo studio delle macromolecole, che ha dato ottimi risultati nello studio delle molecole di DNA e anche di RNA, è la cosiddetta tecnica monostrato di Kleinschmidt. MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE E’un tipo di microscopio elettronico, disponibile in commercio dal 1960, comunemente impiegato per lo studio topografico della superficie delle strutture biologiche. Le fasi di preparazione generale sono: prelievo, fissazione e disidratazione comini a quelli della TEM. La parte specifica della SEM comprende le fasi di:  Essiccamento: consiste nell’allontanamento dei fluidi presenti nel campione, generalmente acqua o solventi allo scopo di poter poi sottoporre il campione a procedimenti di ricopertura o osservazione, eseguite sottovuoto. Le metodiche utilizzate sono:
  3. Essiccamento in aria da solventi: dimetossipropano, tetrametilsilano, esametildisilazano (molecola derivata dall’ammoniaca).
  4. Critical point drying: il principio su cui è basato il processo del cpd e riferibile all’equazione di stato dei gas.  Montaggio: consiste nel predisporre il campione su di un supporto circolare chiamato STUB. Gli STUB più usati sono di alluminio e prima dell’uso devono essere puliti mediante immersione in alcol o acetone.  Ricopertura del campione: con la quale si ottiene una migliore qualità dell’immagine. Questa ricopertura si può ottenere mediante la tecnica dello sputtering (sputter coater si basa sul fenomeno di erosione superficiale di un metallo tramite bombardamenti con particelle di gas inerte ionizzato). Un elevato campo elettromagnetico tra catodo e anodo porta alla ionizzazione delle molecole del gas, queste vengono a collidere con la superficie del catodo costituita da un target del metallo scelto (oro) provocando l’espulsione dei suoi atomi che ricoprono il campione in modo avvolgente.  Colorazioni istochimiche: permettono di evidenziare con specificità lipidi, carboidrati e acidi nucleici.  Lipidi: attraverso il colorante sudan nero o sudan III.  Carboidrati (polisaccaridi): reazione PAS in cui si usa il reattivo di schiff.  Acidi nucleici: reazione di feulgen mette in evidenza sia il DNA che RNA con colore magenta.

ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici, sia DNA sia RNA, per la presenza nella loro molecola di numerosi radicali fosforici presentano spiccata affinità per i coloranti basici. Per la dimostrazione specifica del DNA si ricorre spesso alla reazione di feulgen. Essa si fonda su un principio analogo a quello della reazione PAS (mette in evidenza il DNA con un colore magenta).

IMMUNOISTOCHIMICA

È una tecnica in grado di individuare specifiche molecole o strutture del compartimento intra- o extracellulare basandosi sulla specificità della reazione antigene (molecola che introdotta in un organismo è in grado di attivare la risposta anticorpale. Due proprietà essenziali sono l’immunogenicità e l’antigenicità) /anticorpo. La risposta anticorpo-mediata è un esempio di risposta immunitaria specifica, cioè una difesa che prevede il riconoscimento specifico di un patogeno che abbia superato le difese dell’immunità innata.