Une nouvelle technique d'imagerie développée par des scientifiques du MIT, Université de Harvard, et le Massachusetts General Hospital (MGH) vise à éclairer les structures cellulaires dans les tissus profonds et d'autres matériaux denses et opaques. Leur méthode utilise de minuscules particules incrustées dans le matériau, qui émettent de la lumière laser.

L'équipe a synthétisé ces "particules laser" sous la forme de minuscules baguettes, chacun mesurant une petite fraction de la largeur d'un cheveu humain. Les particules sont fabriquées à partir de pérovskite d'iodure de plomb, un matériau également utilisé dans les panneaux solaires, et qui absorbe et piège efficacement la lumière. Lorsque les chercheurs projettent un faisceau laser sur les particules, les particules s'illuminent, dégageant normalement, lumière fluorescente diffuse. Mais s'ils règlent la puissance du laser entrant sur un certain "seuil laser, " les particules généreront instantanément de la lumière laser.

Les chercheurs, dirigé par l'étudiant diplômé du MIT Sangyeon Cho, ont démontré qu'ils étaient capables de stimuler les particules pour émettre de la lumière laser, créant des images à une résolution six fois supérieure à celle des microscopes à fluorescence actuels.

"Cela signifie que si la résolution d'un microscope à fluorescence est fixée à 2 micromètres, notre technique peut avoir une résolution de 300 nanomètres, soit une amélioration d'environ six fois par rapport aux microscopes ordinaires, " dit Cho. " L'idée est très simple mais très puissante et peut être utile dans de nombreuses applications d'imagerie différentes. "

Cho et ses collègues ont publié leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique . Ses co-auteurs incluent Seok Hyun Yun, un professeur à Harvard; Nicola Martino, chercheur à Harvard et au Wellman Center for Photomedicine de MGH; et Matjaž Humar, chercheur à l'Institut Jozef Stefan. La recherche a été effectuée dans le cadre de la division Harvard-MIT des sciences et technologies de la santé.

Une lumière dans le noir

Lorsque vous éclairez une lampe de poche dans une pièce sombre, que la lumière apparaît comme relativement diffuse, faisceau brumeux de lumière blanche, représentant un fouillis de différentes longueurs d'onde et couleurs. En contraste frappant, la lumière laser est un point focalisé, faisceau de lumière monochromatique, d'une fréquence et d'une couleur spécifiques.

En microscopie à fluorescence conventionnelle, les scientifiques peuvent injecter un échantillon de tissu biologique avec des particules remplies de colorants fluorescents. Ils pointent ensuite un faisceau laser à travers une lentille qui dirige le faisceau à travers le tissu, provoquant l'allumage des particules fluorescentes sur son chemin.

Mais ces particules, comme des lampes de poche microscopiques, produire un relativement indistinct, lueur floue. Si de telles particules devaient émettre plus focalisées, lumière de type laser, ils pourraient produire des images plus nettes des tissus et des cellules profonds. Dans les années récentes, les chercheurs ont développé des particules émettant de la lumière laser, mais le travail de Cho est le premier à appliquer ces particules uniques à des applications d'imagerie.

Lasers à baguettes

L'équipe a d'abord synthétisé de minuscules, Nanofils de 6 microns de long à partir de pérovskite à iodure de plomb, un matériau qui fait un bon travail de piégeage et de concentration de la lumière fluorescente. La géométrie en forme de bâtonnet des particules - que Cho décrit comme « semblable à une baguette » - peut permettre à une longueur d'onde de lumière spécifique de rebondir le long de la longueur des particules, générer une onde stationnaire, ou très régulier, motif concentré de lumière, semblable à un laser.

Les chercheurs ont ensuite construit une configuration optique simple, similaire aux microscopes à fluorescence conventionnels, dans lequel un faisceau laser est pompé à partir d'une source lumineuse, à travers une lentille, et sur une plate-forme d'échantillon contenant les particules laser.

Pour la plupart, les chercheurs ont découvert que les particules émettaient une lumière fluorescente diffuse en réponse à la stimulation laser, similaire aux colorants fluorescents conventionnels, à faible puissance de pompage. Cependant, quand ils ont réglé la puissance du laser à un certain seuil, les particules se sont considérablement éclairées, émettant beaucoup plus de lumière laser.

Cho dit que la nouvelle technique optique, qu'ils ont nommé microscopie LAser à émission stimulée par des particules (LASE), pourrait être utilisé pour imager un plan focal spécifique, ou une couche particulière de tissu biologique. Théoriquement, il dit, les scientifiques peuvent projeter un faisceau laser dans un échantillon tridimensionnel de tissu incrusté de particules laser, et utilisez une lentille pour focaliser le faisceau à une profondeur spécifique. Seules les particules dans le foyer du faisceau absorberont suffisamment de lumière ou d'énergie pour s'allumer en tant que lasers eux-mêmes. Toutes les autres particules en amont du faisceau du trajet devraient absorber moins d'énergie et n'émettre que de la lumière fluorescente.

"Nous pouvons collecter toute cette émission stimulée et distinguer très facilement le laser de la lumière fluorescente à l'aide de spectromètres, " dit Cho. "Nous nous attendons à ce que ce soit très puissant lorsqu'il est appliqué à un tissu biologique, où la lumière se diffuse normalement tout autour, et la résolution est dévastée. Mais si nous utilisons des particules laser, ce seront les points étroits qui émettront de la lumière laser. Ainsi, nous pouvons distinguer de l'arrière-plan et obtenir une bonne résolution."

Giuliano Scarcelli, professeur assistant à l'Université du Maryland, affirme que le succès de la technique dépendra de sa mise en œuvre réussie sur un microscope à fluorescence standard. Une fois celui-ci atteint, applications de l'imagerie laser, il dit, sont prometteurs.

« Le fait que vous ayez un laser par rapport à la fluorescence signifie probablement que vous pouvez mesurer plus profondément dans les tissus car vous avez un rapport signal/bruit plus élevé, " dit Scarcelli, qui n'a pas participé aux travaux. "Nous devrons voir dans la pratique, mais d'autre part, avec optique, nous n'avons aucun bon moyen d'imager les tissus profonds. Donc, toute recherche sur ce sujet est un ajout bienvenu. »

Pour mettre en œuvre cette technique dans des tissus vivants, Cho dit que les particules laser devraient être biocompatibles, que les matériaux de pérovskite à l'iodure de plomb ne sont pas. Cependant, l'équipe étudie actuellement des moyens de manipuler les cellules elles-mêmes pour qu'elles brillent comme des lasers.

"Notre idée est, pourquoi ne pas utiliser la cellule comme source de lumière interne ?" dit Cho. "Nous commençons à réfléchir à ce problème."