Des scientifiques australiens ont développé un nouvel outil d'imagerie de la vie à l'échelle nanométrique qui fournira de nouvelles informations sur le rôle des ions de métaux de transition tels que le cuivre dans les maladies neurodégénératives.

Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Communication Nature , une équipe de chercheurs de l'Université de Melbourne révèle un « kangourou quantique » qui démontre un moyen de détecter et d'imager des spins électroniques de manière non invasive avec des sensibilités ambiantes et des ordres de grandeur de résolution jamais atteints auparavant. Cette percée fournira aux médecins et aux chercheurs un nouvel outil pour sonder le rôle que jouent les ions de métaux de transition dans la biologie et la maladie.

Les techniques de résonance de spin électronique (ESR) ont été un pilier dans la compréhension des processus biochimiques dans les systèmes biologiques. Pourtant, ESR n'a pas connu la croissance rapide par rapport à sa technologie sœur, résonance magnétique nucléaire, qui est maintenant une technologie mature utilisée en imagerie par résonance magnétique (IRM) pour regarder à l'intérieur du corps.

L'ESR et la RMN appliquent un champ magnétique aux molécules d'image, mais contrairement à la RMN, L'ESR peut révéler la biochimie liée aux ions métalliques et aux radicaux libres. Le défi est que dans les systèmes biologiques, la concentration détectable de spins électroniques est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle des spins nucléaires. D'où, l'obstacle au développement de techniques d'imagerie basées sur l'ESR a été la sensibilité requise - généralement, des milliards de spins électroniques ont été nécessaires pour générer un signal suffisant pour une imagerie réussie.

Entrez :la technologie quantique. Une équipe dirigée par le professeur Lloyd Hollenberg a utilisé un réseau spécialement conçu de sondes quantiques en diamant pour démontrer l'imagerie ESR non invasive avec une résolution subcellulaire. Remarquablement, le système est capable d'imager et d'interroger de très petites régions ne contenant que quelques milliers de spins électroniques.

"La technologie de détection et d'imagerie que nous développons nous permet de voir la vie d'une toute nouvelle manière, avec une plus grande sensibilité et résolution dérivée des interactions fondamentales de l'échantillon et de la sonde au niveau de la mécanique quantique, " dit Hollenberg, qui est directeur adjoint du Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) et Thomas Baker Chair à l'Université de Melbourne.

"Cette amélioration spectaculaire de la technologie d'imagerie ESR est un développement passionnant et une démonstration claire de la façon dont la technologie quantique peut être utilisée pour améliorer la sensibilité du signal et fournir des solutions à des problèmes de longue date, par exemple en sondant la biochimie humaine à des échelles encore plus fines."

La réduction de la technologie ESR à une résolution inférieure au micron a été un défi car une telle réduction de la résolution spatiale nécessite une sensibilité nettement meilleure. Cependant, c'est précisément ce qu'offrent les sondes quantiques - une sensibilité élevée avec une résolution spatiale élevée.

En générant un réseau de sondes quantiques en diamant, en utilisant le centre de couleur unique à manque d'azote du matériau, l'équipe de recherche interdisciplinaire a pu imager et détecter des espèces de spins électroniques à la limite de diffraction de la lumière, 300 nanomètres. De manière critique, la technologie de détection est capable de fournir des informations spectroscopiques sur la source particulière de spins électroniques imagée.

Dr David Simpson, L'auteur principal et co-responsable de la détection et de l'imagerie au Center for Neural Engineering a déclaré que la technologie peut fournir de nouvelles informations sur le rôle que jouent les ions de métaux de transition en biologie.

"Les ions de métaux de transition sont impliqués dans plusieurs maladies neuro-dégénératives, cependant, on sait peu de choses sur leur concentration et leur état d'oxydation au sein des cellules vivantes, " il a dit.

"Nous visons à adapter cette nouvelle forme de détection pour commencer à sonder de tels effets dans une gamme de systèmes biologiques."

L'un des avantages uniques de la détection quantique est qu'elle n'interfère pas avec l'échantillon à imager. D'autres approches reposent sur des molécules fluorescentes se liant à des cibles d'intérêt particulières. Bien que ces approches soient spécifiques aux espèces, ils modifient la fonctionnalité et la disponibilité des espèces cibles en cours d'imagerie.

Le doctorant et co-auteur de l'article, Robert Ryan, a expliqué la technique.

"Notre technique repose sur le passif, détection non invasive des spins électroniques en observant leur interaction avec le réseau de sondes quantiques, " dit Ryan.

"En accordant soigneusement un aimant externe en résonance avec les sondes quantiques, nous sommes capables d'écouter le bruit magnétique créé par les spins électroniques de l'échantillon. Différentes espèces de spins électroniques ont des conditions de résonance différentes; par conséquent, nous sommes en mesure de détecter et d'imager diverses cibles de spin électroniques."

Une clé du succès du travail était la collaboration entre les membres de l'équipe, qui ont été tirés de différents centres de recherche à travers l'université.

« L'aspect interdisciplinaire de cette recherche a permis de repousser les limites du possible, " a déclaré le professeur Paul Mulvaney, co-auteur et directeur du Center for Exciton Science de la School of Chemistry de l'Université de Melbourne.

« Du point de vue de la chimie, il est surprenant de voir qu'un système quantique fragile peut s'adapter à l'environnement fluctuant rencontré dans les systèmes chimiques « réels » et aux fluctuations inhérentes à l'environnement des ions subissant un réarrangement de ligand. L'expertise complémentaire au sein de la chimie, la physique et les neurosciences ont conduit à cette avancée. »