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Advanced Bioderived and Biocompatible Lasers

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De minuscules lasers opérant à l’intérieur des cellules font progresser l’imagerie dans le domaine de la recherche biomédicale

L’étude des processus cellulaires implique souvent l’utilisation de colorants fluorescents comme traceurs d’imagerie pour suivre l’évolution des cellules. Les chercheurs européens ont mis au point une source de lumière laser intégralement nouvelle pour le suivi des cellules individuelles.

Recherche fondamentale
Santé

Suivre le comportement des cellules dans l’organisme peut apporter des réponses à de nombreuses questions biomédicales, comme la prolifération des cellules cancéreuses et les métastases. Toutefois, les méthodes existantes de marquage des cellules ne peuvent discriminer qu’un nombre limité de cellules différentes ou requièrent une méthode de lecture destructive, tuant du même coup la cellule.

Des billes laser qui émettent à une fréquence unique

Les chercheurs du projet ABLASE, financé par le CER, ont mis au point de minuscules lasers dont les dimensions sont parfois inférieures au volume du noyau d’une cellule et qui peuvent être insérés efficacement dans les cellules. «Notre objectif consistait à marquer les cellules de manière unique, sans interférer avec leurs propriétés ou leur comportement», explique Malte Gather, bénéficiaire d’une subvention du CER, chercheur principal et professeur à l’université de St Andrews. Ces micro-lasers sont constitués de disques semi-conducteurs ou de billes biocompatibles avec un colorant fluorescent vert. Lorsqu’ils sont soumis à une excitation lumineuse, ils émettent une lumière laser caractérisée par un spectre unique comportant plusieurs raies d’émission, dépendant de la taille de la bille. En introduisant des billes de différentes tailles, les scientifiques génèrent des modèles d’émission qui peuvent être utilisés pour distinguer les différents lasers sans ambiguïté, un peu à la manière des codes-barres qui permettent d’identifier et de suivre les colis. En utilisant une méthode de biologie moléculaire traditionnellement exploitée pour transférer de l’ADN étranger dans des cellules, les chercheurs d’ABLASE ont pu incorporer les lasers dans divers types de cellules, notamment celles impliquées dans les réponses immunitaires. Cette méthodologie permet d’incorporer des billes laser dans des dizaines de milliers de cellules en même temps. L’équipe a ensuite étudié l’énergie nécessaire pour que ces lasers commencent à émettre, ainsi que leur taille, leur stabilité et leur biocompatibilité. En ce qui concerne les derniers modèles de laser de l’équipe, l’effet laser commence à des niveaux d’excitation lumineuse extrêmement faibles, inférieurs aux énergies utilisées par les biologistes dans de nombreux microscopes optiques modernes, ce qui minimise leur impact sur les cellules. Les lasers cellulaires ont également démontré leur capacité à conserver leur stabilité et à se cantonner à l’intérieur des cellules au cours de divers processus cellulaires. Il est intéressant de noter que les cellules transfèrent les lasers à leur progéniture sans aucun impact notable sur les fonctions cellulaires clés, ce qui facilite le suivi des cellules sur un nombre important de générations. En insérant plusieurs lasers dans les cellules mères, l’approche ABLASE peut suivre toutes les progénitures d’une cellule donnée et également marquer de façon unique davantage de cellules qu’on ne le pensait auparavant.

L’importance de ces recherches et les perspectives d’avenir

Les activités du projet ABLASE ont fait progresser l’utilisation des lasers monocellulaires dans la recherche biomédicale, en vue de mieux comprendre les processus biologiques fondamentaux, par exemple la façon dont les cellules migrent dans l’organisme. «L’utilisation de lasers monocellulaires est un concept nouveau, et ABLASE s’est donc naturellement intéressé aux travaux de validation de ce concept, aux recherches fondamentales et aux développements associées, ainsi qu’aux premières étapes menant vers des applications», souligne Malte Gather. Les plans futurs comprennent une miniaturisation plus poussée des lasers pour rendre leur insertion dans les cellules encore plus facile, ainsi qu’un processus permettant de les fabriquer en plus grande quantité. Par ailleurs, les chercheurs d’ABLASE espèrent tester les lasers in vivo et étendre leurs applications en améliorant leurs performances et en les faisant réagir aux changements des marqueurs biologiques à l’intérieur de la cellule. Il ne fait aucun doute que les lasers monocellulaires requièrent un certain nombre d’améliorations technologiques supplémentaires pour être pleinement applicables. Ils présentent néanmoins un potentiel immense dans les applications de marquage des cellules et peuvent être utilisés pour la détection à l’intérieur des cellules et des tissus vivants. Depuis le début du projet ABLASE, d’autres groupes de recherche internationaux ont apporté des contributions importantes au domaine émergent des lasers monocellulaires, renforçant ainsi son potentiel de développement.

Mots‑clés

ABLASE, laser, bille, suivi de cellules, laser monocellulaire

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