De minuscules lasers introduits dans les cellules pourraient servir de capteurs autonomes
Bien qu’elles restent la référence absolue de l’étude cellulaire, les sondes fluorescentes présentent plusieurs limites. Leur spectre d’émission relativement large complique la distinction des sondes individuelles lorsque plusieurs d’entre elles fonctionnent simultanément (multiplexage). Ils sont également sujets au photoblanchiment, peuvent être phototoxiques pour les cellules et sont sensibles aux facteurs environnementaux tels que les niveaux de pH ou les températures, ce qui complique l’étalonnage. Le projet Cell-Lasers, financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a développé des méthodes innovantes de détection des émissions laser stimulées par des «micro-lasers» insérés dans les cellules et les tissus. «La largeur de raie d’émission extrêmement étroite, la cohérence et l’intensité élevées de ces lasers permettent de suivre simultanément des centaines de cellules. En outre, comme les lignes laser se déplacent précisément en fonction des changements infimes dans l’environnement immédiat du laser, elles peuvent fonctionner comme des capteurs de force et des capteurs chimiques ultrasensibles», explique le coordinateur du projet, Matjaž Humar, de l’Institut Jožef Stefan(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), l’hôte du projet. L’équipe avait déjà démontré, pour la première fois, qu’un laser pouvait être inséré dans une cellule. Cell-Lasers a révélé que ces lasers pouvaient être utilisés pour étudier les processus biologiques, travail qui a valu à Matjaž Humar le Prix Zois pour réalisations exceptionnelles(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) en Slovénie.
Des lasers à perles, à billes et comestibles
Les lasers sont essentiellement le produit de l’amplification de la lumière dans un milieu. Pour induire cet effet de laser(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Cell-Lasers a proposé un matériau fluorescent à l’intérieur d’une cavité microscopique (le support) qui, lorsqu’il est alimenté par une source lumineuse externe, amplifie la lumière en un signal optique précis. Pour intégrer ces micro-lasers dans des cellules et des tissus vivants cultivés, l’équipe a expérimenté une série de supports laser allant de billes solides à des gouttelettes d’huile molles, avant d’essayer des bulles de savon et même des substances comestibles. En fonction du milieu étudié, ils ont été soit absorbés naturellement par les cellules, soit injectés à l’aide d’une minuscule pipette. L’analyse des décalages spectraux de la lumière émise a permis de mesurer les forces cellulaires et la dynamique des gouttelettes de lipides. L’équipe a également développé un moyen de suivre les cellules à l’intérieur des tissus à l’aide de l’imagerie de localisation spectrale diffuse, élargissant ainsi le champ d’application au-delà de la microscopie standard. Ils ont mené des expériences approfondies, notamment l’injection de microgouttelettes d’huile dans des hydrogels, des tissus cérébraux et des cellules adipeuses afin de valider leur utilisation en tant que capteurs de force. Des simulations informatiques ont ensuite permis d’établir une corrélation entre les changements spectraux et les modifications spécifiques des gouttelettes, garantissant ainsi l’efficacité du laser. «Nous avons suivi les changements de taille des gouttelettes de lipides des cellules adipeuses avec une précision de l’ordre du nanomètre, révélant une dynamique métabolique jusqu’alors invisible par la microscopie standard. Nous avons également mesuré les déformations des gouttelettes avec une précision de l’ordre du nanomètre, détectant des forces cellulaires de l’ordre de quelques unités (piconewtons)», explique Matjaž Humar.
De nouvelles orientations de la recherche dans le domaine de la santé et de la sécurité alimentaire
Les capteurs intracellulaires de Cell-Lasers offrent de nouveaux moyens d’étudier des maladies telles que le cancer et le diabète au niveau d’une cellule unique, ce qui pourrait déboucher sur des dispositifs de diagnostic plus performants, tels que des «tatouages intelligents» pour la surveillance de la glycémie. Dans un autre registre, le «laser comestible»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) du projet pourrait être utilisé pour étiqueter des produits de valeur tels que l’huile d’olive ou les médicaments. Fabriqués à partir de matériaux tels que la gélatine et la chlorophylle, qui sont fluorescents et amplifient la lumière du laser, ils pourraient être intégrés dans les produits alimentaires que les consommateurs scanneraient pour en vérifier la fraîcheur. Une start-up est à l’étude pour commercialiser les technologies des capteurs du projet. Parallèlement, la recherche scientifique passe des cellules de cultures aux cellules de patients, afin de mieux étudier les maladies. De plus, lors de la recherche de nouvelles méthodes de marquage des cellules, des sources quantiques de photons uniques ont été utilisées pour la première fois comme codes-barres à l’intérieur des cellules. Cela a permis de démontrer pour la première fois la génération de photons intriqués dans des matériaux organiques, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans le domaine de l’optique quantique, actuellement explorées dans le cadre du nouveau projet SoftQuanta.