Un système « d'imagerie chimique » qui utilise un type spécial de faisceau laser pour pénétrer profondément dans les tissus pourrait conduire à des technologies qui éliminent le besoin de prélever du sang pour des analyses, notamment des tests de dépistage de drogue et la détection précoce de maladies telles que le cancer et le diabète.

Le système, appelée microscopie et tomographie à projection Raman stimulée, rend possible "l'imagerie volumétrique" sans utiliser de colorants fluorescents qui pourraient affecter les fonctions biologiques et nuire à la précision, dit Ji-Xin Cheng, professeur à la Weldon School of Biomedical Engineering de l'Université Purdue, Département de chimie et Birck Nanotechnology Center.

« L'imagerie chimique volumétrique permet une meilleure compréhension de la composition chimique des systèmes biologiques complexes tridimensionnels tels que les cellules, " il a dit.

La technologie utilise un type de faisceau laser appelé faisceau de Bessel, qui maintient la mise au point sur une plus longue distance qu'un "faisceau gaussien" traditionnel utilisé dans d'autres technologies d'imagerie, permettant de pénétrer profondément dans les tissus. La spectroscopie Raman stimulée élimine le besoin de colorants fluorescents. La technologie fournit des données plus précises que d'autres méthodes car elle permet l'imagerie de la cellule entière en "additionnant" les signaux produits par le faisceau de balayage, dit Cheng.

Parce que le faisceau de Bessel rend possible l'imagerie des tissus profonds, cela pourrait conduire à des systèmes qui éliminent le besoin de prélever du sang pour des analyses telles que les tests de dépistage de drogues et la détection de biomarqueurs pour le diagnostic précoce non invasif des maladies, dit Cheng.

"C'est un objectif à long terme, " dit-il. " En attendant, beaucoup plus de recherches sont nécessaires pour améliorer le système. »

Les chercheurs ont prouvé le concept en imaginant le stockage des graisses dans des cellules vivantes. Les résultats sont détaillés dans un article de recherche paru le 24 avril dans la revue Communication Nature .

La technologie rapportée fournit des informations sur la composition chimique, collecter une série d'images tout en faisant tourner l'échantillon et en reconstruisant la structure 3-D grâce à des algorithmes de reconstruction d'images.

Le faisceau de Bessel est produit à l'aide d'une paire de lentilles "axicon" en forme de cône et est combiné à un objectif de microscope. Son utilisation pour l'imagerie de fluorescence volumétrique a déjà été démontrée par le physicien Eric Betzig, qui a remporté le prix Nobel de chimie en 2014 pour sa contribution pionnière à la microscopie à fluorescence à super-résolution. La technologie de super-résolution permet aux chercheurs de résoudre des caractéristiques structurelles bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière visible, contourner la "limite de diffraction" qui empêche normalement l'imagerie de caractéristiques inférieures à environ 250 nanomètres, ce qui est grand par rapport à certaines molécules et structures biologiques dans les cellules.

Cependant, la microscopie à fluorescence nécessite généralement l'utilisation d'étiquettes fluorescentes, qui peuvent interférer avec les processus biologiques et entraver la précision de la détermination de la structure chimique.

Les recherches futures comprendront des travaux visant à augmenter la sensibilité de détection du système et à améliorer la qualité et la vitesse d'imagerie.

"Il y a beaucoup de place pour l'amélioration, " a déclaré Cheng. " Le système est basé sur un laser femtoseconde encombrant et relativement coûteux, ce qui limite son potentiel pour une large utilisation et une traduction clinique. Néanmoins, nous prévoyons que cette limitation peut être contournée grâce à des innovations techniques pour réduire le coût et la taille de notre technologie. On note également que la poutre de Bessel peut être réalisée à l'aide de fibres, ce qui pourrait simplifier le système et permettre des applications endoscopiques."

L'article a été rédigé par Xueli Chen, un chercheur invité de l'Université Xidian en Chine; Chi Zhang, associée de recherche postdoctorale de Purdue; les doctorants de Purdue Peng Lin et Kai-Chih Huang; les chercheurs de l'Université de Xidian Jimin Liang et Jie Tian; et Cheng.