Des progrès en imagerie tomographique rapide donnent une nouvelle dimension à la microscopie traditionnelle
L'imagerie 3D est devenue un outil indispensable, en particulier pour les activités de recherche qui bénéficient de l'imagerie dynamique in vivo des processus biologiques. Pour répondre à cette demande, les laboratoires de biologie et en recherches précliniques ont tiré parti d'innovations comme la tomographie moléculaire par fluorescence (FMT) pour l'imagerie dans des milieux à diffusion élevée, ainsi que la tomographie par projection optique (OPT) et la microscopie par éclairage de plan sélectif (SPIM) pour l'imagerie des échantillons à faible diffusion. Même s'ils sont efficaces, ces outils offrent malheureusement un débit trop faible ou sont incapables de traiter simultanément plusieurs échantillons. Pour remédier à ce goulet d'étranglement, une bourse Marie Curie d'intégration de carrière (CIG), financée par l'UE, a soutenu le projet HIGH THROUGHPUT TOMO afin de créer un ensemble d'outils permettant de réaliser une imagerie optique et une analyse des données très rapides. En plus de proposer diverses solutions, le projet coordonné par le professeur Manuel Desco et organisé par l'Université Charles III de Madrid, s'est particulièrement intéressé au développement de la tomographie rapide en microscopie. Réaliser en temps réeel une imagerie 3D de la vie Basée sur une approche par balayage, l'imagerie traditionnelle à feuille de lumière utilise des moteurs pour déplacer les échantillons, un processus qui s'avère extrêmement long. Le traitement de 200 images, par exemple, peut prendre 200 secondes. Résumant le principal résultat de HIGH THROUGHPUT TOMO, le Dr Jorge Ripoll, bénéficiaire de la CIG Marie Curie, déclare «nous avons optimisé l'agencement matériel et logiciel afin de limiter la nécessité de mouvements motorisés, en les remplaçant par des balayages par faisceau lumineux et des lentilles réglables à réponse rapide (de l'ordre de 10 ms). La durée d'un scanner a ainsi pu être divisée par 100, soit 2 secondes pour l'acquisition de ces 200 images.» À l'heure actuelle, pratiquement toutes les mesures d'imagerie in vivo utilisant des organismes modèles comme le poisson zèbre ou la mouche du fruit sont basées sur l'imagerie d'un spécimen unique. Cela présente de graves défauts, comme l'explique le Dr Ripoll: «Pour obtenir des résultats scientifiques rigoureux, nous devons répéter ces mesures sur de grandes populations, multipliant ainsi le temps nécessaire pour un seul spécimen par le nombre de mesures nécessaires. Ce processus est non seulement extrêmement long, mais il pose aussi des problèmes pour conserver des conditions identiques. Ces problèmes entraînent souvent le rejet des mesures.» L'avancée réalisée par l'équipe, ainsi que certains changements géométriques réalisés dans la configuration de l'imagerie optique, permettent maintenant aux chercheurs d'imager plusieurs spécimens en même temps. Comme preuve de concept, le Dr Ripoll cite l'imagerie in vivo réussie et en simultané du développement de 13 drosophiles. Le Dr. Ripoll s'enthousiasme: «être capable d'analyser ces données et de voir réellement en 3D comme se développe un organisme complexe est un résultat sensationnel, qui donne une nouvelle dimension à la microscopie traditionnelle.» Cette vitesse peut encore être accélérée pour des volumes plus réduits, permettant ainsi d'imager 10 volumes complets en une seconde. La conséquence pratique de ces avancées est que des processus rapides tels que les battements du cœur du poisson zèbre, qu'on ne pouvait auparavant pas imager dans des conditions normales, peuvent maintenant être capturés en 3 dimensions et observés au ralenti. De l'observation à la manipulation, au bénéfice de la santé La possibilité d'imager en 3D des échantillons de grande taille tels que des organes entiers, de façon rapide et efficace, devrait avoir un impact sur les recherches liées à la santé. Selon le Dr Ripoll, «ces nouvelles approches permettront d'étudier l'expression des gènes et la fonction moléculaire au niveau cellulaire, tout en observant l'organe dans son ensemble, plutôt que d'en imager des sections. Nous disposerons ainsi d'informations complémentaires auparavant inaccessibles.» Grâce à cette technologie, il est également possible de suivre en 3D le destin de cellules individuelles. Cette possibilité ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre la biologie moléculaire de base et pourrait avoir des implications directes pour la santé humaine. Pour rendre cette technologie accessible, le Dr Ripoll a cofondé www.4dnature.eu (4D-Nature Imaging Consulting), une entreprise dérivée exploitant les brevets déposés au cours de ce projet. Pour l'équipe, la prochaine étape consistera à aller au-delà de l'observation passive d'un volume tridimensionnel, et d'influencer réellement ce qui se produit au niveau cellulaire. Les implications iront au-delà des études in-vivo sur les organismes modèles, car on interviendra dans des processus rapides plus généraux se déroulant en 3D, qui pourront être contrôlés avec une résolution de voxel inférieure au micron.
Mots‑clés
HIGH THROUGHPUT TOMO, tomographie optique, imagerie 3D, microscopie, balayage par faisceau lumineux, lentilles réglables, in-vivo, contrôle cellulaire, expression génétique