21.11.2022 - Beckman Institute

Imagerie des cellules : Une nouvelle méthode permet de jeter un regard clair et précis à l'intérieur

Les chercheurs peuvent désormais "voir" la structure fine et la composition chimique d'une cellule humaine avec une clarté et une précision inégalées.

C'est la raison pour laquelle les Dents de la mer ont nagé à l'abri des regards pendant plus d'une heure, et c'est aussi la raison pour laquelle le papier cadeau est si prestigieux. Dans les salles de cinéma, les salons et même les laboratoires, on peut compter sur le frisson de l'invisible pour nous tenir en haleine. Mais lorsqu'il s'agit du monde chimique caché des cellules, les scientifiques n'ont plus besoin de s'interroger.

Inspirés par ce même frisson, des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology ont mis au point une méthode innovante pour "voir" la structure fine et la composition chimique d'une cellule humaine avec une clarté et une précision inégalées. Leur technique, publiée dans PNAS, adopte une approche créative - et contre-intuitive - de la détection des signaux.

"La biologie est l'une des sciences les plus passionnantes de notre époque, car il y a toujours eu un fossé entre ce que nous pouvons voir et ce que nous ne pouvons pas voir", a déclaré Rohit Bhargava, professeur de bio-ingénierie à l'université de l'Illinois Urbana-Champaign, qui a dirigé l'étude.

En tant que plus petites unités fonctionnelles de notre corps, les cellules attirent depuis longtemps l'attention des chercheurs désireux de déterminer de quoi elles sont faites et où se trouve chaque élément. Ensemble, le "quoi" et le "où" forment un plan cellulaire polyvalent qui peut être utilisé pour étudier la biologie, la chimie, les matériaux, etc.

Avant cette étude, l'obtention d'une copie haute résolution de ce plan figurait parmi les impossibilités.

"Maintenant, nous pouvons voir l'intérieur des cellules avec une résolution beaucoup plus fine et avec des détails chimiques significatifs plus facilement que jamais", a déclaré Bhargava. "Ce travail ouvre un éventail de possibilités, notamment une nouvelle façon d'examiner les aspects chimiques et physiques combinés qui régissent le développement humain et les maladies."

Les travaux des chercheurs s'appuient sur les progrès réalisés dans le domaine de l'imagerie chimique.

Alors que la microscopie optique utilise la lumière visible pour éclairer les caractéristiques de surface comme la couleur et la structure, l'imagerie chimique utilise la lumière infrarouge invisible pour révéler les mécanismes internes d'un échantillon.

Lorsqu'une cellule est exposée à la lumière infrarouge, sa température augmente et elle se dilate. Nous savons, grâce aux lunettes de vision nocturne, que deux objets n'absorbent pas les longueurs d'onde infrarouges de la même manière ; la comparaison d'un caniche et d'un banc public prouve suffisamment que les objets plus chauds émettent des signatures infrarouges plus fortes que les objets plus froids. Il en va de même à l'intérieur d'une cellule, où chaque type de molécule absorbe la lumière infrarouge à une longueur d'onde subtilement différente et émet une signature chimique unique. L'examen des schémas d'absorption - une méthode appelée spectroscopie - permet aux chercheurs de localiser précisément chaque molécule.

Contrairement aux lunettes de vision nocturne, les chercheurs n'analysent pas les schémas d'absorption comme un spectre de couleurs. Ils interprètent plutôt les ondes infrarouges à l'aide d'un détecteur de signaux : un minuscule faisceau fixé au microscope à l'une de ses extrémités, avec une pointe fine qui gratte la surface de la cellule comme l'aiguille nanométrique d'un tourne-disque.

Au cours de la dernière décennie, les innovations en matière de spectroscopie se sont concentrées sur l'augmentation constante de la puissance des longueurs d'onde IR initiales.

"Il s'agit d'une approche intuitive, car nous sommes conditionnés à penser que les signaux les plus forts sont les meilleurs. Nous pensons que plus le signal IR est fort, plus la température de la cellule est élevée, plus elle se dilate et plus elle est facile à voir", a déclaré M. Bhargava.

Cette approche cache un revers de taille. À mesure que la cellule se dilate, le mouvement du détecteur de signaux devient plus exagéré et génère du "bruit" : des parasites qui empêchent d'effectuer des mesures chimiques précises.

"C'est comme augmenter le volume d'une station de radio statique : la musique devient plus forte, mais les parasites aussi", explique Seth Kenkel, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du professeur Bhargava et auteur principal de l'étude.

En d'autres termes, quelle que soit la puissance du signal IR, la qualité de l'imagerie chimique ne pouvait pas progresser.

"Nous avions besoin d'une solution pour empêcher le bruit d'augmenter en même temps que le signal", a déclaré M. Kenkel.

Le remède des chercheurs à l'imagerie cellulaire bruyante consiste à dissocier le signal IR du mouvement du détecteur, ce qui permet une amplification sans le bruit supplémentaire.

Au lieu de concentrer leur énergie sur le signal IR le plus puissant possible, les chercheurs ont commencé par expérimenter avec le plus petit signal qu'ils pouvaient gérer, afin de s'assurer qu'ils pouvaient mettre en œuvre efficacement leur solution avant d'augmenter la puissance. Bien que "contre-intuitif", selon M. Kenkel, le fait de commencer petit a permis aux chercheurs d'honorer une décennie de recherche en spectroscopie et de poser des bases essentielles pour l'avenir de ce domaine.

M. Bhargava compare cette approche à un voyage en voiture qui aurait mal tourné.

"Imaginez que des chercheurs en spectroscopie soient dans une voiture en direction du Grand Canyon. Bien sûr, tout le monde pense que plus la voiture roule vite, plus vite ils arriveront à destination. Mais le problème est que la voiture se dirige vers l'est depuis Urbana", a-t-il expliqué.

Augmenter la vitesse de la voiture hypothétique est analogue au renforcement du signal IR.

"Nous nous sommes arrêtés, avons regardé une carte et avons dirigé la voiture dans la bonne direction. Maintenant, l'augmentation de la vitesse - l'augmentation du signal - peut effectivement faire avancer le domaine."

La "carte" des chercheurs permet une imagerie chimique et structurelle à haute résolution des cellules à l'échelle nanométrique - une échelle 100 000 fois plus petite qu'une mèche de cheveux. Notamment, cette technique ne nécessite pas de marquage fluorescent, c'est-à-dire de teinture des molécules pour les rendre plus visibles au microscope.

Si les installations de la suite de microscopie de Beckman ont été essentielles au stade expérimental de l'étude, l'idée elle-même n'est pas née d'une technologie sophistiquée, mais d'une culture qui encourage la curiosité, la résolution de problèmes non conventionnels et la diversité des perspectives.

"C'est pourquoi l'Institut Beckman est un endroit extraordinaire", a déclaré M. Bhargava. "Ce projet nécessitait des idées issues de la spectroscopie, du génie mécanique, du traitement du signal et, bien sûr, de la biologie. Il est impossible de combiner ces domaines de manière transparente ailleurs qu'à l'Institut Beckman. Cette étude est un exemple classique du mélange de science interdisciplinaire de Beckman, à la pointe de la science et de la technologie avancées."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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