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  • La technologie d'imagerie permet de visualiser des structures à l'échelle nanométrique à l'intérieur de cellules entières

    Une reconstruction super-résolution 3-D des dendrites dans le cortex visuel primaire. Les innovateurs de l'Université Purdue ont créé un outil d'imagerie qui permet de visualiser des structures à l'échelle nanométrique à l'intérieur de cellules et de tissus entiers. Crédit :Fang Huang/Université Purdue

    Depuis la première description par Robert Hooke d'une cellule dans Micrographia il y a 350 ans, la microscopie a joué un rôle important dans la compréhension des règles de la vie.

    Cependant, la plus petite caractéristique résoluble, La résolution, est limité par la nature ondulatoire de la lumière. Cette barrière centenaire a restreint la compréhension des fonctions cellulaires, interactions et dynamiques, en particulier à l'échelle submicronique à nanométrique.

    La microscopie à fluorescence super-résolution surmonte cette limite fondamentale, offrant jusqu'à dix fois plus de résolution, et permet aux scientifiques de visualiser le fonctionnement interne des cellules et des biomolécules à une résolution spatiale sans précédent.

    Une telle capacité de résolution est entravée, cependant, lors de l'observation à l'intérieur d'échantillons de cellules entières ou de tissus, tels que ceux souvent analysés lors des études du cancer ou du cerveau. Signaux lumineux, émis par les molécules à l'intérieur d'un échantillon, parcourir différentes parties des structures cellulaires ou tissulaires à des vitesses différentes et entraîner des aberrations, ce qui détériore l'image.

    Maintenant, Les chercheurs de l'Université Purdue ont développé une nouvelle technologie pour surmonter ce défi.

    "Notre technologie nous permet de mesurer les distorsions de front d'onde induites par l'échantillon, soit une cellule soit un tissu, directement à partir des signaux générés par des molécules uniques - de minuscules sources lumineuses attachées aux structures cellulaires d'intérêt, " dit Fang Huang, professeur adjoint de génie biomédical au Collège d'ingénierie de Purdue. "En connaissant la distorsion induite, nous pouvons localiser les positions des molécules individuelles avec une grande précision et exactitude. Nous obtenons des milliers à des millions de coordonnées de molécules individuelles dans un volume cellulaire ou tissulaire et utilisons ces coordonnées pour révéler les architectures à l'échelle nanométrique des constituants des spécimens. »

    La technologie de l'équipe Purdue a récemment été publiée dans Méthodes naturelles .

    "Pendant l'imagerie super-résolution tridimensionnelle, nous enregistrons des milliers à des millions de modèles d'émission de molécules fluorescentes uniques, " a déclaré Fan Xu, un associé postdoctoral dans le laboratoire de Huang et un co-premier auteur de la publication. "Ces modèles d'émission peuvent être considérés comme des observations aléatoires à diverses positions axiales échantillonnées à partir de la fonction d'étalement de points 3-D sous-jacente décrivant les formes de ces modèles d'émission à différentes profondeurs, que nous cherchons à récupérer. Notre technologie utilise deux étapes :l'affectation et la mise à jour, pour récupérer de manière itérative la distorsion du front d'onde et les réponses 3-D à partir de l'ensemble de données de molécule unique enregistré contenant des modèles d'émission de molécules à des emplacements arbitraires.

    La technologie Purdue permet de trouver les positions des biomolécules avec une précision de quelques nanomètres à l'intérieur de cellules entières et de tissus et donc, résolution des architectures cellulaires et tissulaires avec une haute résolution et fidélité.

    "Cette avancée étend l'applicabilité de routine de la microscopie à super-résolution des cibles cellulaires sélectionnées près des lamelles couvre-objets aux cibles intra- et extra-cellulaires profondément à l'intérieur des tissus, " dit Donghan Ma, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Huang et co-premier auteur de la publication. "Cette nouvelle capacité de visualisation pourrait permettre une meilleure compréhension des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, et de nombreuses autres maladies affectant le cerveau et diverses parties du corps."

    Les National Institutes of Health ont apporté un soutien majeur à la recherche.

    Les autres membres de l'équipe de recherche comprennent Gary Landreth, un professeur de l'École de médecine de l'Université de l'Indiana; Sarah Calvé, professeur agrégé de génie biomédical au Purdue's College of Engineering (actuellement professeur agrégé de génie mécanique à l'Université du Colorado Boulder); Peng Yin, un professeur de la Harvard Medical School; et Alexandre Chubykine, professeur adjoint de sciences biologiques à Purdue. La liste complète des auteurs se trouve dans Méthodes naturelles .

    "Cette avancée technique est surprenante et changera fondamentalement la précision avec laquelle nous évaluons les caractéristiques pathologiques de la maladie d'Alzheimer, " Landreth a déclaré. "Nous sommes capables de voir des objets de plus en plus petits et leurs interactions les uns avec les autres, ce qui aide à révéler des complexités de structure que nous n'avions pas appréciées auparavant."

    Calve a déclaré que la technologie est un pas en avant dans les thérapies régénératives pour aider à promouvoir la réparation dans le corps.

    "Ce développement est essentiel pour comprendre la biologie des tissus et pouvoir visualiser les changements structurels, ", a déclaré Calve.

    Chubykine, dont le laboratoire se concentre sur l'autisme et les maladies affectant le cerveau, a déclaré que la technologie d'imagerie à haute résolution fournit une nouvelle méthode pour comprendre les déficiences du cerveau.

    « Il s'agit d'une formidable avancée en termes d'analyses fonctionnelles et structurelles, ", a déclaré Chubykin. "Nous pouvons voir une vue beaucoup plus détaillée du cerveau et même marquer des neurones spécifiques avec des outils génétiques pour une étude plus approfondie."

    L'équipe a travaillé avec le bureau de commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation pour breveter la technologie. Le bureau a récemment emménagé dans le Centre de convergence pour l'innovation et la collaboration dans le district de Discovery Park, adjacent au campus Purdue.


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