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Next Generation Label-free Chemical Nanoscopy for Biomedical Applications

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Les innovations en microscopie révèlent des caractéristiques biologiques inédites

Les microscopes sont essentiels aux scientifiques et aux cliniciens dans la lutte contre des maladies telles que la COVID-19. Toutefois, malgré les progrès accomplis, leur résolution en terme d’imagerie reste, pour la plupart, limitée. NanoChemBioVision a développé des techniques pour accroître leur puissance.

Santé

La microscopie conventionnelle est limitée par la mécanique propre aux ondes lumineuses. Lorsque la lumière frappe une surface, soit elle se diffracte soit elle se courbe, ce qui signifie qu’elle ne peut être concentrée que sur un point fini. Pour les microscopes optiques les plus puissants, ce point doit présenter un diamètre d’environ la moitié de la longueur d’onde de la lumière visible, soit moins de 200 nanomètres. Le projet NanoChemBioVision, soutenu par le Conseil européen de la recherche, a mis au point deux méthodes pour obtenir une ultra-haute résolution au-delà de cette limite de diffraction. «Les deux méthodes permettent d’obtenir une super-résolution unique sans recourir aux étiquettes fluorescentes qui tachent, affectent ou modifient génétiquement les échantillons», explique Sumeet Mahajan, coordinateur du projet rattaché à l’Université de Southampton, elle-même hôte du projet. «Les applications biomédicales sont susceptibles d’améliorer considérablement la santé publique. Par exemple, ces méthodes pourraient fournir des images des particules virales, y compris du SRAS-CoV-2, offrant un aperçu de leur composition chimique et de leur structure, ce qui contribuerait aux efforts de lutte contre la maladie.» À ce jour, un brevet a été délivré et un second est en cours d’examen.

Détail sous-cellulaire sans étiquette

Au cours des 20 dernières années, l’imagerie biologique a connu un développement effréné suite à la découverte de la protéine fluorescente verte et à l’invention de méthodes à super-résolution par fluorescence optique. Les chercheurs en sciences de la vie peuvent désormais travailler sur des images de caractéristiques cellulaires offrant un niveau de détail sans précédent. Toutefois, ces étiquettes fluorescentes nuisent à l’imagerie pour certaines fonctions et caractéristiques. L’imagerie vibratoire apporte une solution sans étiquette, tout en fournissant des informations chimiques et structurelles supplémentaires. Toutes les molécules vibrent de manière spécifique, ce qui permet d’obtenir des «empreintes» moléculaires. Pour les lire, NanoChemBioVision a eu recours à la spectroscopie infrarouge et à la spectroscopie Raman. L’équipe a également étudié une autre technique sans étiquette reposant sur la génération d’harmoniques et la fluorescence à deux photons, où deux photons sont combinés pour fournir une image optique de structures et de molécules spécifiques. NanoChemBioVision a appliqué ces techniques sans marquage aux méthodes de super-oscillation et de nanojet photonique. La première méthode façonne le faisceau lumineux émis en le modulant en intensité et en temps afin d’obtenir un très petit point de lumière adapté à l’imagerie. La seconde exploite l’effet des microparticules sur un faisceau lumineux. Les microparticules, constituées d’un matériau plus dense que le milieu, permettent de concentrer la lumière jusqu’à atteindre un point à l’échelle nanométrique. Plusieurs simulations ont appliqué la super-oscillation à des microscopes standard à un ou plusieurs photons afin de définir les paramètres optimaux pour la modulation de la lumière. Il en résulte une amélioration de 30 à 70 % de la résolution limitée par diffraction. Par exemple, des super-oscillations combinées à la fluorescence à deux photons ont permis d’obtenir des images de nanoparticules d’or avec une résolution au-delà de leur limite de diffraction. La technique de génération de seconde harmonique assistée par nanojet photonique a été appliquée à des échantillons biologiques tels que les fibres de collagène dans des tissus de souris, ce qui a permis d’obtenir un niveau de détail sans précédent. Une résolution de moins de 125 nanomètres a été démontrée, soit 2,3 fois mieux que l’imagerie limitée par diffraction. Cette technique a également permis de diagnostiquer des maladies pulmonaires via l’imagerie d’échantillons de fibrose pulmonaire idiopathique. Des modifications du collagène ont été observées à l’échelle nanométrique, invisibles avec les méthodes d’imagerie limitée par diffraction. Elle rendait clairement visible la différence entre des échantillons traités par des médicaments ou présentant des facteurs de croissance et des échantillons sains. «Cela offre de nouvelles possibilités d’imagerie à super-résolution des tissus et des cellules qui, en plus d’être sans étiquette, permettent de collecter simultanément des informations chimiques et structurelles qui étaient impossibles à obtenir auparavant», explique Sumeet Mahajan. L’équipe travaille actuellement avec des partenaires du Optoelectronics Research Centre de Southampton pour mettre au point des méthodes qui permettront de réduire les coûts et la taille des systèmes laser nécessaires à l’imagerie multiphotonique. Elles augmenteront par ailleurs la sensibilité du système et renforceront ses capacités pour une gamme variée de tissus, de cellules, de maladies et d’affections. Enfin, elles accroîtront la profondeur de pénétration des techniques, donnant ainsi à l’imagerie à ultra-haute résolution la possibilité d’atteindre des couches tissulaires plus profondes.

Mots‑clés

NanoChemBioVision, microscopes, microscopie, imagerie, photons, nano, COVID, résolution, oscillation, diffraction, sans étiquette, lumière

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