Une équipe d’ingénieurs biomédicaux de l’Université de Californie à Davis a mis au point une technique d’imagerie multimodale permettant d’observer simultanément les cellules et les tissus environnants dans des organismes vivants. Cette méthode, baptisée tomographie par diffraction illuminée par fluorescence, résout un problème majeur de l’imagerie par fluorescence classique, qui néglige souvent le contexte tissulaire.
Le projet est dirigé par Yi Xue, professeure associée en génie biomédical à l’UC Davis. Les résultats de ces recherches ont été publiés dans la revue Nature Communications.
Les cellules comme sources lumineuses
L’imagerie par fluorescence traditionnelle permet de visualiser des cellules spécifiques, mais elle peine à capturer les structures environnantes dans les tissus épais, comme le cerveau. Les techniques conventionnelles nécessitent généralement une source lumineuse externe puissante placée du côté opposé à l’échantillon, ce qui devient complexe, voire impossible, avec des tissus denses.
L’approche de l’équipe de Yi Xue contourne cet obstacle en utilisant les cellules elles-mêmes comme sources de lumière. Dans ce processus, une molécule fluorescente colore la cellule, la faisant briller.
Les cellules peuvent devenir la petite source de lumière à l’intérieur de l’échantillon.
Yi Xue, professeure associée de génie biomédical à l’Université de Californie, Davis
Cette lumière interne révèle la forme des structures environnantes, tout comme une bougie éclaire les murs d’une pièce sombre. En combinant l’imagerie par fluorescence et l’imagerie de phase, qui quantifie les formes des structures sans marquage, les chercheurs obtiennent une vision complète de l’environnement cellulaire.
Une efficacité informatique accrue
Pour traiter les données complexes liées à la réfraction de la lumière dans les tissus profonds, les chercheurs ont développé une méthode informatique optimisée. Ce modèle réduit la puissance de calcul nécessaire, rendant la technologie accessible à la plupart des laboratoires. Lors d’une comparaison contrôlée, le temps de reconstruction a été réduit de trois heures à 50 minutes, tout en améliorant la résolution de l’image.
L’équipe a validé cette technique à travers trois expériences :
- L’observation de cellules cultivées sans marquage avec un substrat fluorescent externe, avec le soutien de Soichiro Yamada, professeur de génie biomédical.
- L’étude de tissus musculaires bovins cultivés, menée avec le soutien de Jiandi Wan, professeure associée de génie chimique.
- L’analyse de cellules marquées par fluorescence, préparées avec l’aide d’Aidan Gilchrist, professeur assistant de génie biomédical.
Applications en santé humaine
La tomographie par diffraction illuminée par fluorescence offre de nouvelles perspectives pour l’étude des interactions entre les neurones et les vaisseaux sanguins. Ces recherches sont essentielles pour mieux comprendre les origines des maladies neurodégénératives et cérébrovasculaires, telles que la démence et les accidents vasculaires cérébraux.
Le système a été conçu pour s’adapter facilement au matériel de microscopie biphotonique standard, évitant aux laboratoires des mises à niveau de leur équipement. Ces travaux ont bénéficié du soutien de la National Science Foundation, via le prix CAREER de Yi Xue, et des National Institutes of Health, par le biais du prix MIRA.