Un système laser innovant fait progresser la méthode de microscopie pour révéler les mondes cellulaires cachés
Une étude montre comment la technique de microscopie à deux photons peut rendre des tissus complexes visibles au niveau de la cellule
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Des chercheurs du Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en collaboration avec des partenaires internationaux, ont mis au point un nouveau système laser qui pourrait simplifier considérablement la microscopie multicolore à deux photons. La technologie est basée sur un laser à fibre ultrarapide compact et permet de visualiser plusieurs types de cellules ou de structures en même temps, ce qui permet d'étudier les interactions complexes au sein des tissus. Cette approche pourrait également trouver des applications dans la recherche médicale. L'équipe, dirigée par des chercheurs du centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf (UKE) et de DESY, publie ses résultats dans la revue Laser & Photonics Reviews.
Une plate-forme laser optimisée par le calcul crée trois couleurs de lumière ultrarapide précisément adaptées (en haut), qui sont utilisées pour éclairer les tissus biologiques et exciter simultanément différents marqueurs fluorescents. Chaque couleur met sélectivement en évidence un type différent de structure cellulaire. Les images obtenues (en bas) révèlent des neurones densément emballés, des cellules gliales de soutien et des noyaux cellulaires, ainsi que des structures dans le tissu rénal de souris, ce qui permet aux chercheurs d'observer comment les différents types de cellules sont organisés et interagissent.
Marvin Edelmann, DESY
La microscopie à deux photons est un outil important dans la recherche biomédicale moderne. Elle permet d'obtenir des vues tridimensionnelles à haute résolution des tissus et des structures cellulaires. La technique devient particulièrement puissante lorsque plusieurs composants cellulaires peuvent être visualisés simultanément dans des couleurs différentes. Dans la pratique, cependant, cette microscopie à deux photons multicolore est techniquement exigeante, car elle nécessite généralement plusieurs systèmes laser coûteux, chacun produisant une lumière d'une couleur différente.
L'étude, dirigée par Marvin Edelmann, chercheur à DESY, et Andreu Matamoros-Angles, scientifique à l'UKE, présente une approche qui réduit considérablement cette complexité. Dans le cadre de ce projet interdisciplinaire, les physiciens laser du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) - une institution conjointe de DESY, de la Max Planck Society et de l'université de Hambourg - ont collaboré avec des chercheurs de l'Institut de neuropathologie de l'UKE et de l'Universitat de Vic - Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC), qui ont contribué à la préparation et à l'analyse d'échantillons biologiques. Cette collaboration s'inscrit dans le cadre d'un effort plus large de DESY visant à développer des technologies laser en partenariat étroit avec d'autres institutions de recherche basées à Hambourg.
Au lieu de combiner plusieurs lasers, le système utilise une seule source laser ultrarapide basée sur une fibre. Grâce à des simulations ciblées et à une installation optique spécialement conçue, les chercheurs ont pu adapter avec précision le spectre à large bande des impulsions laser, ce qui permet de générer simultanément plusieurs couleurs d'excitation bien définies à partir d'une seule source afin de cibler sélectivement différentes structures et dynamiques biologiques.
"Le système laser est basé sur un laser à fibre unique dont le spectre est élargi à l'aide d'une fibre à cristal photonique spécialement conçue. La principale avancée réside dans le fait que nous pouvons utiliser des simulations informatiques pour prédire exactement les couleurs que la fibre produira. Cela rend le système reproductible et pratique", explique Marvin Edelmann, premier auteur de l'étude et chercheur doctorant à DESY et à la Max Planck School of Photonics. "Ce travail montre comment des simulations ciblées peuvent être utilisées pour développer une source laser compacte et économique à impulsions courtes pour la microscopie multicolore à deux photons", ajoute Mikhail Pergament, chef de l'équipe laser dans le groupe Optique ultrarapide et rayons X (UFOX) à DESY.
La source laser génère trois impulsions ultrabrèves séparées sur le plan spectral à environ 960, 1080 et 1175 nanomètres - des longueurs d'onde particulièrement adaptées à l'excitation des marqueurs fluorescents couramment utilisés. Pour tester le système, les chercheurs ont examiné des échantillons de tissus triplement marqués provenant du cerveau, des reins et du foie de souris. La microscopie multicolore à deux photons a permis de visualiser simultanément différentes structures cellulaires, notamment des réseaux neuronaux, des astrocytes, des noyaux cellulaires, des vaisseaux sanguins et des fibres nerveuses.
"Des sources laser compactes comme celle-ci rendront la microscopie multiphotonique multicolore beaucoup plus accessible", déclare Franz X. Kärtner, chef du groupe UFOX à DESY et professeur de physique à l'université de Hambourg, où l'étude a été réalisée. Markus Glatzel, professeur et directeur de l'Institut de neuropathologie de l'UKE, ajoute : "Cette technologie permettra aux chercheurs d'étudier des processus biologiques complexes impliquant plusieurs types de cellules en interaction, par exemple dans le cerveau ou dans les tissus tumoraux. À long terme, elle pourrait nous aider à mieux comprendre les mécanismes des maladies et ouvrir de nouvelles voies pour le diagnostic et la thérapie. Ces approches interdisciplinaires ouvrent également de nouvelles possibilités pour les études neuropathologiques résolues dans le temps, qui dépendent essentiellement des progrès de la technologie laser".
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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