La détection dynamique et sans marquage de l'adhésion des cellules souches utilise le microscope à cristaux photoniques. Crédit :Yue Zhuo, Université de l'Illinois
Le groupe Nano Sensors du professeur Brian Cunningham en génie électrique et informatique et en bio-ingénierie de l'Université de l'Illinois a inventé une nouvelle méthode d'imagerie des cellules vivantes qui pourrait un jour aider les biologistes à mieux comprendre comment les cellules souches se transforment en cellules spécialisées et comment des maladies comme le cancer se propagent. Leur microscope amélioré à cristal photonique (PCEM) est capable de surveiller et de mesurer quantitativement l'adhésion cellulaire, un processus critique impliquait la migration cellulaire, différenciation cellulaire, la division cellulaire, et la mort cellulaire.
"Notre approche est importante car il n'existe pas actuellement d'outils d'imagerie sans étiquette et à haute résolution qui permettent de quantifier et d'imager dynamiquement les interactions cellule-surface, bien que ces processus soient fondamentaux pour des choses comme la cicatrisation des plaies, développement des tissus, envahissement tumoral, et métastases cancéreuses, " a déclaré Brian Cunningham, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à l'Illinois.
La plupart des méthodes d'imagerie conventionnelles reposent sur des colorants fluorescents, qui se fixent et illuminent les composants cellulaires afin qu'ils soient visibles au microscope. Cependant, le marquage fluorescent a ses limites, à savoir qu'il est invasif, difficile pour la mesure quantitative, et ne fournit qu'une fenêtre de temps à court terme pour l'examen et la mesure des cellules en raison du photoblanchiment.
En utilisant le PCEM, les chercheurs ont réussi à mesurer la densité de masse effective des membranes cellulaires lors de la différenciation des cellules souches, et la réponse des cellules cancéreuses aux médicaments sur une période prolongée. leurs résultats, "Imagerie quantitative de la densité de masse effective associée à la membrane cellulaire à l'aide de la microscopie photonique à cristaux améliorés, " ont été rapportés dans le journal Progrès en électronique quantique , (novembre 2016, tome 50).
Selon le chercheur principal du PCEM, Yue Zhuo, un post-doctorant Beckman Institute Fellow, le marquage fluorescent ne permet pas aux scientifiques de voir comment une protéine ou une cellule change au fil du temps.
"Vous pouvez voir la cellule pendant peut-être quelques heures maximum avant que la lumière fluorescente ne s'éteigne, mais il faut plusieurs jours pour mener une expérience sur les cellules souches, ", a déclaré Zhuo. "Les scientifiques utilisent couramment le marquage fluorescent car il n'y a pas de meilleur moyen de surveiller les cellules vivantes en raison de leur faible contraste d'imagerie entre les organites cellulaires. Cela nous pousse à développer une méthode d'imagerie sans marquage et à haute résolution pour l'étude des cellules vivantes. »
Yue Zhuo, chercheur post-doctoral et boursier de l'Institut Beckman, peut imager des cellules vivantes sans colorants fluorescents à l'aide du microscope amélioré à cristal photonique. Crédit :G. Pluta
Le microscope de l'équipe de l'Illinois fonctionne avec une source de lumière LED et un biocapteur à cristal photonique fabriqué à partir de matériaux peu coûteux comme le dioxyde de titane et le plastique à l'aide d'une méthode de fabrication telle que le moulage de nanorépliques.
"Notre capteur peut être fabriqué massivement facilement, et notre coût pour fabriquer le capteur est inférieur à 1 $ chacun", a noté Zhuo.
Dans l'appareil de Zhuo, le biocapteur à cristal photonique est un capteur optique qui peut s'appliquer à n'importe quelle cellule attachable. La surface du capteur est recouverte de matériaux matriciels extracellulaires pour faciliter les interactions cellulaires, qui sont ensuite visualisés à travers un objectif normal et enregistrés avec une caméra CCD.
"L'avantage de notre système PCEM est que vous pouvez voir que la cellule [live] commence à s'attacher à notre capteur, et nous pouvons mesurer quantitativement et dynamiquement ce qui s'est passé à ce moment-là, " a déclaré Zhuo. "Nous sommes en mesure de mesurer une couche très mince au fond de la cellule qui fait environ 100 nanomètres, qui est au-delà de la limite de diffraction de la lumière visible.
À l'avenir, Zhuo prévoit d'équiper le microscope d'une résolution d'imagerie plus élevée et espère un jour être en mesure de créer une bibliothèque de données d'adhésion cellulaire pour les scientifiques.
"Différents types de cellules auront différents profils d'attachement dynamique." elle a expliqué. "Nous pouvons utiliser cette bibliothèque pour cribler différents types de cellules pour la régénération tissulaire, diagnostic de maladie, ou un traitement médicamenteux, par exemple, voir comment les cellules malades se propagent, ou voir comment les cellules cancéreuses réagissent à différents traitements médicamenteux."
