Lightsheet Brillouin Nanoscopy: mechano-sensitive superresolution imaging for regenerative medicine

Description du projet

Un microscope mécanosensible à haute résolution pour la médecine régénérative

Les progrès de la microscopie ont permis d’améliorer les capacités d’imagerie, mais négligent souvent les propriétés mécaniques. La microscopie mécanosensible a révélé que la rigidité et la viscoélasticité locales jouent un rôle essentiel dans le développement cellulaire. Cela soulève des questions importantes concernant les processus de différenciation et l’optimisation de la croissance des tissus artificiels en médecine régénérative, exposant les limites des outils actuels. Le projet LiBriNa, financé par le CER. se propose de résoudre ce problème en développant une technique de microscopie sans marquage capable d’imager la viscoélasticité à une résolution inférieure à la diffraction dans les tissus cardiaques vivants, avec des vitesses d’acquisition qui surpassent de loin celles des méthodes actuelles. Cette avancée repose sur un nouvel élément optique qui permet une imagerie hyperspectrale rapide et de haute sensibilité. En intégrant les progrès de la nanoscopie, de l’imagerie à feuille de lumière et de la diffusion de Brillouin, LiBriNa (Lightsheet Brillouin Nanoscop) devrait devenir le microscope mécanosensible le plus rapide et à la plus haute résolution.

Objectif

Better microscopes have always triggered scientific discovery. Lightsheet microscopy and nanoscopy are no exception and have initiated knowledge jumps in structural and dynamical imaging. However, they do not inform us on mechanical properties. The domain of mechano-sensitive microscopy is still in its infancy yet has already unveiled a stark dependence of cellular development on local stiffness and viscoelasticity. For instance, coordinated strain on the sub-millimetre scale is a key ingredient to grow induced pluripotent stem stells into a beating adult cardiac muscle; without such an environment, a twitching heap of cardiomyocytes develops instead. What are the processes within cells that cause this forked differentiation? How can we optimise the growth of artificial tissue in regenerative medicine? Given the dynamics and 3D nature of the problem, paired with the requirement of sub-cellular resolution, one must conclude that our current instrumentation is not up to the task. Thus, this project aims to develop a label-free microscopy technique that can image viscoelasticity at unprecedented sub-diffraction resolution inside living, differentiating cardiac tissues at order-of-magnitude faster acquisition speeds than previously possible. This will be made possible by a completely new type of optical element that allows snap-shot hyperspectral imaging at unparalleled speed and sensitivity. Transforming latest innovations within nanoscopy and lightsheet imaging and using Brillouin scattering as a proxy for viscoelastic tissue properties on the microscale, Lightsheet Brillouin Nanoscopy (LiBriNa), will be the fastest, most gentle, and highest resolution mechanosensitive microscope ever built. Besides being an enabler technology for cellular biology and regenerative medicine, the project will explore new principles in label-free nanoscopy methodology and initiate innovation jumps in optical instrumentation.