Les chercheurs ont développé une technique d'imagerie à l'échelle moléculaire rapide et pratique qui pourrait permettre aux scientifiques de visualiser une dynamique inédite des processus biologiques impliqués dans les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer et la sclérose en plaques.

La nouvelle technique révèle la composition chimique d'un échantillon ainsi que l'orientation des molécules qui composent cet échantillon, informations qui peuvent être utilisées pour comprendre comment les molécules se comportent. Quoi de plus, il acquiert cette information en quelques secondes, nettement plus rapide que les minutes requises par d'autres techniques. La vitesse plus rapide signifie qu'il sera possible pour la première fois d'observer la progression de la maladie dans des modèles animaux vivants au niveau moléculaire. Avec le développement ultérieur, la technique pourrait également être utilisée pour détecter les premiers signes de maladies neurodégénératives chez l'homme.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, chercheurs dirigés par Sophie Brasselet de l'Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, La France, signaler leur nouvelle technique, appelée imagerie de diffusion Raman cohérente résolue en polarisation à grande vitesse. Ils ont utilisé des membranes lipidiques artificielles pour démontrer les capacités de la technique à améliorer la recherche neurologique.

Les membranes artificielles utilisées dans l'étude sont constituées de couches emballées de lipides similaires à celles trouvées dans la gaine de myéline qui recouvre les axones pour aider les impulsions électriques à se déplacer rapidement et efficacement. Lorsque des maladies comme la maladie d'Alzheimer et la sclérose en plaques progressent, ces lipides commencent à se désorganiser et les couches lipidiques perdent leur adhérence. Cela provoque finalement le détachement de la gaine de myéline de l'axone et entraîne un dysfonctionnement des signaux neuronaux.

"Nous avons conçu une technique capable d'imager l'organisation moléculaire dans les cellules et les tissus qui peut finalement nous permettre de voir le stade précoce de ce décollement et comment les lipides sont organisés au sein de cette gaine de myéline, " a déclaré Brasselet. " Cela pourrait nous aider à comprendre la progression des maladies en identifiant le stade auquel les lipides commencent à se désorganiser, par exemple, et quels changements moléculaires se produisent pendant cette période. Cela pourrait permettre de nouveaux traitements médicamenteux ciblés qui fonctionnent différemment de ceux utilisés actuellement. »

Observer les molécules en temps réel

La nouvelle technique développée par Brasselet et son équipe de recherche utilise un effet non linéaire appelé diffusion Raman cohérente qui se produit lorsque la lumière interagit avec des molécules. La fréquence, ou longueur d'onde, du signal non linéaire fournit la composition chimique d'un échantillon en fonction de ses vibrations moléculaires, sans avoir besoin d'ajouter d'étiquettes fluorescentes ou de produits chimiques supplémentaires.

Les chercheurs se sont appuyés sur une approche existante appelée imagerie par diffusion Raman stimulée, qui améliore le signal Raman en modulant l'intensité de la lumière laser, ou le pouvoir. Pour obtenir des informations d'orientation moléculaire à partir du signal Raman cohérent, les chercheurs ont utilisé un dispositif électro-optique appelé cellule de Pockels pour moduler rapidement la polarisation du laser plutôt que son intensité.

"Nous avons pris le concept de modulation d'intensité utilisé pour la diffusion Raman stimulée et l'avons transposé en modulation de polarisation à l'aide d'un appareil standard, " a déclaré Brasselet. " La détection du signal pour notre technique est très similaire à ce qui est fait avec la diffusion Raman stimulée, sauf qu'au lieu de détecter uniquement l'intensité de la lumière, nous détectons des informations de polarisation qui nous indiquent si les molécules sont fortement orientées ou totalement désorganisées."

La clé, cependant, est d'acquérir des informations d'orientation suffisamment rapidement pour capturer des processus biologiques hautement dynamiques au niveau moléculaire. Les méthodes précédentes étaient lentes car elles acquéraient une image, puis l'information de polarisation, puis répété le processus pour capturer les changements au fil du temps. En modulant très rapidement la polarisation laser, les chercheurs pouvaient prendre des mesures pixel par pixel, en temps réel.

Avec la nouvelle approche, il faut moins d'une seconde pour acquérir des informations sur l'orientation des lipides dans une grande image contenant plusieurs cellules. Cette information est ensuite utilisée pour construire une séquence d'images "d'ordre lipidique" qui montre la dynamique d'orientation moléculaire à des échelles de temps inférieures à la seconde.

Mesure de membranes simples

Les chercheurs ont montré que leur technique pouvait révéler une déformation et une organisation lipidique dans des membranes lipidiques artificielles ressemblant aux membranes tassées de myéline. La technique était même suffisamment sensible pour mesurer l'organisation des lipides autour des globules rouges, qui n'ont qu'une seule membrane lipidique.

« Même si nous n'avons démontré la technique qu'avec des membranes modèles et des cellules individuelles, cette technique est transposable au tissu biologique, " dit Brasselet. " Il va nous montrer comment se comportent les molécules, informations qui ne sont pas disponibles à partir des images morphologiques à l'échelle du micron prises avec les techniques de microscopie traditionnelles.

Brasselet a déclaré que la nouvelle technique pourrait être utilisée dans un avenir proche pour mieux comprendre la progression des maladies impliquant une rupture de la gaine de myéline, comme la maladie d'Alzheimer et la sclérose en plaques. Par exemple, il pourrait être utilisé pour imager des neurones chez des souris vivantes en combinant la technique de diffusion Raman avec des méthodes existantes dans lesquelles de minuscules fenêtres sont implantées dans le cerveau et la moelle épinière des animaux de laboratoire.

"Finalement, nous souhaitons développer une imagerie Raman cohérente afin qu'elle puisse être utilisée dans le corps pour détecter les maladies à leurs débuts, " dit Brasselet. " Pour ce faire, la technique devrait être adaptée pour fonctionner avec des endoscopes ou d'autres outils en développement qui permettent une imagerie basée sur la lumière à l'intérieur du corps."