Visio ultra visum: patru secole de microscopie

Vederea, cel mai utilizat dintre simţurile noastre, a constituit fundamentul cunoaşterii, baza de transfer şi acumulare transgeneraţională a acesteia sub formă pictorial-descriptivă şi scrisă – caracteristică particulară a omului din perspectivă evolutivă. Şi astăzi, demersurile de investigare, diagnostic şi validare sunt predominant bazate pe tehnici vizuale. Vă puteţi imagina primii oameni privind către stele sau către lucruri minuscule realizând limitele capacităţii lor observaţionale? Nu acei oameni au găsit soluţii, ci indivizii care au început să le caute. Pentru că „dacă îţi doreşti cu adevărat ceva, dacă perseverezi, vei găsi o cale” (Jane Goodall). Nu ştim cât timp a trecut de la momentul conştientizării nevoii de a vedea în detaliu lucruri aflate la distanţă sau structuri minuscule până la găsirea modalităţilor adecvate, însă avem artefacte istorice care probează consecvenţa omului de a crea şi îmbunătăţi soluţiile de augmentare vizuală. Curiozitate, curaj, consecvenţă: iată cele trei elemente indispensabile continuităţii.

Cele mai vechi soluţii de magnificaţie utilizate de om, cel mai probabil în scop creativ şi recreativ, au fost lentilele: prima dintre acestea, descoperită la Nimrund (secolul al VIII-lea î.Hr.) de către Austen Henry Layard în 18501, permitea mărirea de trei ori a imaginii unui obiect. O rezoluţie similară au şi lentilele romane, şi lentilele vikinge de la Visby2 (secolele al XI-lea şi al-XII-lea d.Hr.). Primul tratat care a revoluţionat înţelegerea opticii şi a percepţiei vizuale a fost scris în perioada 1011-1021 de către savantul arab Abu Ali al-Hasan Ibn Al-Haytham (Alhazen)3 în şapte volume reunite sub titlul „Cartea Opticii”. Către sfârşitul secolului al XVI-lea apar primele instrumente compuse, considerate prototipuri de telescop, cu magnificaţie 20-30x, însă inventatorul acestora rămâne subiect de controversă istorică: Lowys Lowyssen, Zacharias Janssen, Adriaan Metius, Cornelis Drebbel sau Hans Lippershey4. Cert este că primul patent pentru un instrument de magnificaţie al obiectelor aflate la distanţă i-a aparţinut lui Hans Lippershey în 1608. Un an mai târziu, Galileo Galilei, membru al Accaddemia dei Lincei, crează propriul instrument de acest tip care îi permite vizualizarea planetei Jupiter şi a sateliţilor acesteia; la cererea lui Galilei, Giovanni Demisiani denumeşte instrumentul telescop în 1611. După examinarea instrumentului prezentat de Cornelis Drebbel la Roma în anul 1622, Galilei continuă experimentele visio ultra visum, reuşeşte să modifice poziţionarea şi distanţa dintre lentile (obiectiv biconvex şi ocular biconcav) şi, până în 1624, crează un instrument care permitea mărirea structurii obiectelor examinate îndeaproape, îl denumeşte occhiolino şi îl prezintă fondatorului Accademiei dei Lincei, prinţul Federico Cesi5. Au existat diverse denumiri pentru instrumentul creat de Galilei (occhiale, oculorum praesidio, cannoncino, perspicillo), niciuna suficient de academică pentru validarea potenţialului ştiinţific al acestuia. Într-o scrisoare către Prinţul Cesi, Giovanni Faber propune o denumire diferită: „Am dorit să recomand Excelenţei Voastre anume să examinaţi ceea ce am scris despre noile invenţii ale Dlui Galileo. Am inclus toate detaliile; şi dacă trebuie omis ceva, puteţi proceda cum consideraţi. Şi întrucât menţionez noul „ochiale” pentru observarea lucrurilor minuscule, pe care îl denumesc „microscop”, Excelenţa Voastră poate aprecia dacă această denumire îi convine, şi aş adăuga faptul că Linceii, din moment ce au denumit primul instrument, telescopul, au dorit să ofere o denumire adecvată şi acestui instrument, pe bună dreptate, din moment care au fost primii care l-au utilizat aici, la Roma”6. Scrisoarea este datată 13 aprilie, 1625, şi a intrat în istorie ca certificat de naştere al microscopului.
Odată denumit, microscopul deschide orizonturi noi de observaţie şi cercetare, materializate în premiere publicistice, cum ar fi „Apiarium” (Franceso Stelluti, Federico Cesi, 1625), o descriere anatomică a albinelor pe baza observaţiilor la microscop, şi „Micrographia” (Robert Hooke, 1665), care conţine prima descriere a celulelor. Tot cu ajutorul microscopului, Marcello Malpighi descrie capilarele din plămânii de batracian, iar Antonie van Leeuwenhoek descrie pentru prima dată animaculele, i.e. microorganisme vii de tipul bacteriilor şi protistelor7. Cercetările lui Mathias Schleiden şi Theodor Schwann referitoare la comportamentul celulelor în condiţii de sănătate şi patologie diversă (1838-1839), studiile lui John Good-sir despre funcţiile celulelor ca structuri de bază ale organismelor vii au fost succedate de tratatul lui Arthur Hill Hassall, „The Microscopic Anatomy of the Human Body in Health and Disease” (1846), şi de opera monumentală a lui Rudolf Virchow, „Die Cellularpathologie” (1858)8. În 1869, la 89 de ani, Mary Somerville publică celebra lucrare „On Molecular and Microscopic Science”, în două volume, la Londra. De cealaltă parte a Atlanticului, în 1897, două cercetătoare pasionate de zoologie şi citologie, Katherine Foote şi Ella Church Strobell, pun la punct tehnica fotografierii imaginilor microscopice ale probelor tisulare şi celulelor9. 

Provocările majore ale magnificaţiei au vizat claritatea imaginii şi fidelitatea culorilor. Corecţiile tehnice aduse de Joseph Jack Lister şi William Tulley, în jurul anului 1830, au îmbunătăţit claritatea imaginii şi au eliminat distorsiunile de culoare. Primul microscop binocular, introdus de americanul John Leonard Riddell în 1850, avea să modifice radical practica examinării microscopice. Condensatorul creat de Ernst Abbe a revoluţionat considerabil calitatea imaginilor microscopice, iar asocierea cu Carl Zeiss a permis producţia la scară largă a microscoapelor, evoluţia către 17 obiective şi primul obiectiv cu imersie. August Köhler a perfectat sistemul de iluminare al microscopului, şi a permis extinderea schemei către tehnici de microscopie ulterioare, e.g. cu contrast de fază, epifluorescenţă, constrast de interferenţă diferenţială, microscopie confocală10. În 1930, Fritz Zernike realizează primul microscop cu contrast de fază, care a permis vizualizarea celulelor necolorate, şi o magnificaţie de 1000x. Un an mai târziu, Max Knoll şi Ernst Ruska crează primul microscop electronic (TEM), permiţând o magnificaţie de 30.000x. Evoluţia tehnologică avansează rapid după cel de al Doilea Război Mondial, aducând soluţii noi: microscopul confocal (patentat în 1957 de Marvin Minsky), microscopul electronic cu emisie de câmp (FEEM, introdus de Erwin Wilhelm Muller în 1967), microscopul cu efect tunelar (STM, creat de Gerd Binnig şi Heinrich Rohrer în 1980, şi varianta de microscop de forţă atomică din 1982), microscoape cu raze X (Günter Schmahl, 1974; Janos Kirz, 1982)10. Creşterii rezoluţiei imaginilor, astăzi la o magnificaţie de 5.000.000x şi mai mare, i-au fost asociate tehnici de reconstrucţie tridemensională, individualizare celulară, vizualizare şi mapare funcţională a celulelor, în special a celor nervoase şi musculare, precum şi a funcţiei structurilor infracelulare inclusiv molecule şi atomi.
Principalele descoperi şi inovaţii tehnice în microscopie din secolele al XIX-lea şi al XX-lea au fost premiate de Fundaţia Nobel: Fritz Zernike, pentru inventarea microscopului cu contrast de fază (Fizică, 1953)11; Ernst Ruska pentru dezvoltarea microscopiei electronice; Gerd Binning şi Heinrich Rohrer pentru proiectarea microscopului cu efect tunelar (Fizică, 1986)12; Eric Betzig, Stefan W. Hell şi William E. Moerner, pentru dezvoltarea microscopiei cu fluorescenţă de super-rezoluţie (Chimie, 2014)13; Jacques Dubochet, Joachim Frank şi Richard Henderson pentru microscopia crioelectronică (Chimie, 2017)14. Panoplia laureaţilor Nobel pentru descoperiri epocale care au presupus utilizarea microscopului este mult mai mare: Robert Koch (Medicină, 1905); Santiago Ramon y Cajal şi Camillo Golgi (Medicină, 1906); Allvar Gullstrand (Medicină, 1911); Richard Zsigmondy (Chimie, 1925); Manfred Eigen (Chimie, 1967); George Emil Palade (Medicină, 1974); Erwin Neher şi Bert Sakmann (Medicină, 1991); Christiane Nüsslein-Volhard (Medicină, 1995); Günter Blobel (Medicină, 1999); Amed H. Zewail (Chimie, 1999); Paul M. Nurse (Medicină, 2001); Osamu Shimomura, Martin Chalfie şi Roger Y. Tsien (Chimie, 2008); Andre Geim şi Konstantin Novoselov (Fizică, 2010); Dan Shechtman (Chimie, 2011); John O’Keefe, May-Britt Moser şi Edvard I. Moser (Medicină, 2014); Arthur Ashkin, Gérard Mourou şi Donna Strickland (Fizică, 2018)15.
Utilizarea microscopiei este esenţială în multe domenii, dar cea mai largă aplicabilitate este în domeniul medical, în special în patologie şi microbiologie. Începând cu anii ,80 ai secolului trecut, necesitatea standardizării diagnosticului patologic a relevat probleme legate de accesibilitate şi comunicare în timp real, suplimentate în primele decenii ale acestui mileniu de diversificarea entităţilor morfologice, aportul de noi metode investigaţionale şi necesitatea obiectivării pragurilor de raportare cu consecinţă terapeutică. Telepatologia a reprezentat prima soluţie de conectare eficientă a patologilor cu posibilitatea consultării directe, în timp real: prima reţea de telepatologie a fost iniţiată de patologul american Ronald S. Weinstein, sub numele Arizona Telemedicine Program (ATP), în 1996, şi reuneşte 160 de unităţi din 70 de comunităţi16. O reţea de telepatologie a luat naştere şi în Norvegia, în 1990: the Norwegian Pathology Network (PatNet)17. Apariţia primului microscop digital (Hirox, Japonia, 1986), şi a primului scanner de lame (BLISS, James Bacus, 1994) constitutie două momente referenţiale18 care au modificat ireversibil praxisul microscopiei permiţând tranziţia de la vederea tunelară la examinarea panoramică. Tranziţia a fost destul de complicată, începând cu scanarea bidimensională de tip liniar sau în parcele, şi progresând ulterior către scanarea tridimensională, cu profunzime variabilă. În 2017, FDA a autorizat primul sistem de examinare digitală (Intellisite, Philips)19, iar în 2021 primea aprobare pentru diagnostic in vitro cea dintâi platformă de patologie digitală (HALO AP Dx)20. Primul scanner de lame citologice a primit autorizare FDA în 2024 (Genius Digital System, Hologic)21. Al treilea deceniu al secolului al XXI-lea a adus şi validarea primelor soluţii computaţionale, i.e. softuri de analiză, interpretare şi scorificare, precum şi posibilitatea integrării informaţiilor clinice, imagistice, patologice şi moleculare cu rol prognostic şi predictiv pentru o gestionare cât mai personalizată a soluţiilor terapeutice22,23.
După patru secole, vocabula lui Faber continuă să existe, similar Accademiei dei Lincei, cu provocări noi, şi soluţii noi care ne permit să diversificăm, să nuanţăm, să conectăm date, resurse, perspective şi, nu în ultimul rând, oameni. Esenţa demersului Linceilor, în pofida beznei medievale, a fost de a uni minţi luminate pentru a crea viitorul. Şi viitorul necesită curiozitate, curaj şi consecvenţă. În cuvintele lui Jane Goodall, „împreună putem, împreună vom reuşi”. Împreună suntem viitorul.
Bibliografie:
1. Villiers, G de; Pike, E.R. The Limits of Resolution. CRC Press, 2016. ISBN 9781315350806.
2. Schmidt, O; Wilms K-H; Lingelbach, B. „The Visby Lenses”. Optometry & Vision Science. 76 (9): 624–630. doi:10.1097/00006324-199909000-00019.
3. Steffens, B. Ibn al-Haytham: First Scientist, Morgan Reynolds Publishing, 2006 ISBN 1-59935-024-6.
4. Zuidervaart, H. The ‘true inventor’ of the telescope. A survey of 400 years of debate, KNAW Press, 2012, pages 26-30.
5. Huerta, R.D. Giants of Delft: Johannes Vermeer and the Natural Philosophers: the Parallel Search for Knowledge During the Age of Discovery, Bucknell University Press – 2003, page 126.
6. Letter from Giovanni Faber to Federico Cesi, Rome, April 13, 1625, in G. Galilei, Opere [Works], national ed. Edited by A. Favaro, Florence 1968, vol. XIII, pp. 264.
7. Kutschera U. Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723): Master of Fleas and Father of Microbiology. Microorganisms. 2023 Aug 2;11(8):1994. doi: 10.3390/microorganisms11081994. PMID: 37630554; PMCID: PMC10458164.
8. Rudolf Ludwig Carl Virchow. Encyclopedia of World Biography. HighBeam Research, Inc. 2004.
9. Kass-Simon, G. Women of Science: Righting the Record. Indiana University Press, 1993. pp. 227.
10. Murphy, D.B. Fundamentals of light microscopy and electronic imaging, Wiley-Liss, Inc., New York, 2001 ISBN 0-471-25391-X.
11. www.zeiss.com/microscopy/en/about-us/nobel-prizes.html.
12. www.nobelprize.org/prizes/physics/1986/summary/
13. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-chemistryprize2014.pdf.
14. www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/press-release/
15. www.zeiss.com/microscopy/en/about-us/nobel-prizes.html.
16. Del Grande, D.J. UA telehealth pioneer sees program thriving. Arizona Jewish Post. Retrieved November 18, 2017.
17. Obstfelder A. Social dilemmas in a telemedicine network: experience with the implementation of the Norwegian Pathology Network. J Telemed Telecare. 2003;9 Suppl 1:S29-30. doi: 10.1258/135763303322196240. PMID: 12952713.
18. https://lumeadigital.com/the-top-12-events-that-changed-the-history-of-digital-pathology/
19. https://www.fda.gov/drugs/resources-information-approved-drugs/intellisite-pathology-solution-pips-philips-medical-systems.
20. https://indicalab.com/news/indica-labs-receives-first-fda-clearance-for-halo-ap-dx-digital-pathology-platform/
21. https://investors.hologic.com/press-releases/press-release-details/2024/Hologic-Announces-First-and-Only-FDA-Cleared-Digital-Cytology-System–Genius-Digital-Diagnostics-System/default.aspx.
22. Patel AU et al. Applications of Digital and Computational Pathology and Artificial Intelligence in Genitourinary Pathology Diagnostics. Surgical Pathology 15 (2022) 759–785.
23. Retamero JA, et al. Artificial Intelligence Helps Pathologists Increase Diagnostic Accuracy and Efficiency in the Detection of Breast Cancer Lymph Node Metastases. Am J Surg Pathol. 2024 Jul 1;48(7):846-854. doi: 10.1097/PAS.0000000000002248.