Pour une maladie comme le cancer, les médecins se tournent souvent vers la tomodensitométrie (TDM) pour un diagnostic plus définitif, basé sur la reconstruction d'un organe en 3D à partir de plusieurs coupes d'images en 2D. Au niveau moléculaire, ces scans 3D pourraient devenir une partie importante de la médecine de précision :un avenir où les décisions de traitement sont adaptées aux caractéristiques cellulaires uniques de chaque patient.

Mais traduisant l'idée de tomodensitogrammes à partir de gros organes, comme notre cœur ou notre cerveau, aux molécules minuscules est loin d'être anodin, c'est pourquoi Paul Campagnola, professeur de génie biomédical et de physique médicale à l'Université du Wisconsin-Madison, en a fait un métier.

Avec un article publié ce mois-ci (octobre 2017) dans la revue Optique , il a maintenant franchi une nouvelle étape cruciale vers l'imagerie moléculaire 3D du collagène, la protéine la plus abondante chez l'homme qui se trouve dans tous nos os, tendons et tissus conjonctifs.

"Le collagène est essentiel pour la stabilité des os et des tissus, et les changements dans son organisation 3D intrinsèque sont une caractéristique clé de tous les cancers et de plusieurs autres maladies, " dit Campagnola. " C'est pourquoi des images détaillées de ces changements pourraient devenir une partie importante des décisions de traitement clinique à l'avenir. "

Qu'est-ce qui rend l'imagerie du collagène si délicate ? Un microscope optique traditionnel représente les différences, ou contrastes, entre des objets plus clairs et plus sombres car ils absorbent différentes longueurs d'onde de la lumière qui les traverse. Mais comme les molécules de collagène sont transparentes, ils ne génèrent pas ces contrastes.

Des techniques spéciales sont disponibles pour imager des objets transparents, mais dans le cas du collagène, Campagnola et d'autres chercheurs ont démontré à la fin des années 1990 que les images 2D à plus haute résolution résultent de l'exploitation de sa structure rigide et hiérarchique :des molécules de collagène individuelles sont empilées comme un mur de briques dans des fibrilles de collagène, qui sont emballés côte à côte dans des faisceaux parallèles appelés fibres de collagène. C'est cette structure qui donne aux parties du corps à base de collagène leur stabilité presque semblable à celle de l'acier.

Et bien qu'une structure transparente aussi hautement organisée ne change pas la fréquence primaire de la lumière, il interagit avec sa fréquence dite de "seconde harmonique". En musique, le deuxième harmonique d'une onde sonore a deux fois la fréquence et la moitié de la longueur d'onde de l'original, créer un son une octave plus haut sur un instrument à cordes.

"Le collagène est le type de tissu humain le plus courant dont l'interaction avec un laser crée un nouveau signal unique que nous appelons la deuxième lumière harmonique, analogue au son de la deuxième harmonique de la musique, " explique Campagnola. " Contrairement à d'autres matériaux, Les molécules de collagène s'assemblent de telle manière que cette lumière est brillante et peut distinguer entre différentes sous-structures."

Ainsi, La microscopie de deuxième génération harmonique est née lorsque les chercheurs ont appris à convertir ces signaux d'ordre supérieur en images 2D, mais les images 3D sont restées insaisissables pendant encore quelques années.

Avec leur nouvelle étude, Le groupe de Campagnola a maintenant fourni le cadre expérimental et informatique pour l'assemblage d'images de collagène en 2D, prises sous plusieurs angles autour de l'échantillon de tissu, dans une vue 3D à résolution modérée, similaire à la tomodensitométrie familière des organes humains.

La clé de ce nouveau paradigme d'imagerie est un appareil imprimé en 3D qui contient un tube attaché à un petit moteur et se trouve sur la scène d'un microscope droit. Une fois qu'un échantillon de tissu (disons, un tendon de queue de souris) est placé dans le tube, le moteur commence à le faire tourner. Chaque fois qu'une source laser, situé sous la scène, envoie de la lumière à travers l'échantillon en rotation, un scanner laser enregistre l'image obtenue au microscope en 2D. A la fin de la procédure, un algorithme mathématique complexe reconstruit une image 3-D - une première étape vers la tomographie de génération de deuxième harmonique - à partir de toutes les tranches 2-D.

Une fois déployé en milieu clinique, La tomographie du collagène 3D haute résolution peut affiner, par exemple, sur les différences subtiles entre les fibres de collagène hautement alignées dans les tissus cancéreux du sein et de l'ovaire, qui sont distincts du maillage hachuré de collagène trouvé dans le tissu normal. Ces images peuvent éclairer les décisions de traitement non seulement pour le cancer, mais aussi pour la fibrose pulmonaire, une condition dans laquelle le tissu pulmonaire endommagé et cicatrisé réduit la capacité d'un patient à respirer.

"Notre prochain objectif est d'appliquer la nouvelle technologie à une variété de tissus malades, " dit Campagnola. " Si nous pouvons créer une base de données de patients suffisamment grande avec à la fois des images et des résultats cliniques, les médecins peuvent éventuellement choisir une chimiothérapie ou d'autres traitements basés sur la structure 3D du collagène dans les propres tissus d'un patient, ce qui est le genre de médecine de précision qui peut vraiment faire une différence dans la réussite du traitement. »