Pour subir une imagerie à haute résolution, les cellules doivent souvent être tranchées et coupées en dés, déshydraté, peint avec des taches toxiques, ou noyé dans la résine. Pour les cellules, le résultat est une mort certaine.

Mais si les chercheurs ne peuvent voir que le fonctionnement interne des cellules mortes, ils ne voient qu'une partie de l'histoire. Ils ne peuvent pas surveiller les processus dynamiques en temps réel des cellules vivantes, comme des réactions métaboliques ou des réponses à des maladies ou à des traitements.

"Les composants et les structures sous-cellulaires ont une profonde influence sur le comportement de la machinerie cellulaire complexe et de la biologie des systèmes, " a déclaré Gajendra Shekhawat de l'Université Northwestern. " Cependant, démêler les structures et les composants à l'intérieur de la cellule est très difficile car ils sont si fragiles."

Maintenant Shekhawat et Vinayak P. Dravid, le professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux à Northwestern Engineering, ont développé un nouveau système d'imagerie non invasif qui permet de visualiser l'architecture subcellulaire des cellules vivantes à une résolution nanométrique. Appelé Biosonde à ultrasons, la technique combine les ondes ultrasonores avec la microscopie à force atomique, interagir avec des cellules vivantes pour déterminer les changements de leur comportement mécanique.

Soutenu par la National Science Foundation (NSF) et le National Heart, Poumon, et Institut du Sang, la recherche a été publiée récemment dans Avancées scientifiques . Shekhawat et Dravid ont été les auteurs co-correspondants de l'article. Shekhawat, professeur agrégé de recherche en science et génie des matériaux, était également le premier auteur de l'article. La recherche a été menée à bien au Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center. NUANCE est la principale installation du programme National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) soutenu par la NSF, qui a son siège à Northwestern et qui s'appelle Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE) Resource.

Malgré les récents progrès de l'imagerie, il n'existe actuellement aucune méthode unique qui fournit des images à haute résolution et à haute sensibilité de structures subcellulaires vivantes. Microscopie fluorescente et confocale, qui sont des méthodes traditionnelles de suivi des interactions biologiques à l'intérieur des cellules, souffrent d'une mauvaise résolution spatiale et nécessitent des colorants ou des marqueurs invasifs pour améliorer le contraste et mettre en évidence les structures au sein des tissus biologiques. L'imagerie par ondes lumineuses et acoustiques ne permet pas de visualiser des structures inférieures à quelques centaines de nanomètres. La microscopie à sonde à balayage peut fournir une résolution spatiale très élevée, mais ne peut identifier que les structures de surface plutôt que de regarder à l'intérieur d'une cellule. Et tandis que la microscopie électronique peut voir des détails fins au niveau sous-cellulaire, c'est une technique destructrice qui ne peut pas être utilisée pour les tissus biologiques vivants.

« De nombreux barrages routiers ont existé, " dit Dravid, qui dirige le Centre NUANCE et la Ressource SHyNE. "Caractérisation de la dynamique complexe des processus biologiques, en particulier les voies de signaux à résolution nanométrique, est resté un défi."

La biosonde à ultrasons de Shekhawat et Dravid, cependant, contourne ces problèmes. Ses ondes ultrasonores imagent de manière non invasive des caractéristiques intracellulaires profondément enfouies. Et sa sonde de microscopie à force atomique offre une sensibilité élevée et un contraste mécanique des ondes ultrasonores diffusées. Le résultat? Non destructif, remarquablement contrasté, images à l'échelle nanométrique de structures et de composants profondément à l'intérieur des tissus vivants et des cellules.

"En utilisant cette approche non invasive, nous pouvons surveiller l'imagerie en temps réel des changements nanomécaniques dans des systèmes biologiques complexes, " a déclaré Shekhawat. "Cela pourrait fournir des indices pour des diagnostics précoces et des voies potentielles pour développer des stratégies thérapeutiques."

Prochain, l'équipe prévoit d'étendre sa technique à diverses applications biomédicales, comme la nanomécanique des tissus mous comme la peau, émaux, et des os pour sonder leur architecture tridimensionnelle jusqu'à une résolution spatiale nanométrique.

"Une variation significative des nanostructures et de la mécanique cellulaires peut être directement influencée par les conditions cancéreuses d'une cellule, " a déclaré Dravid. " Ainsi, la biosonde à ultrasons pourrait également élargir notre compréhension fondamentale de la nanomécanique en jeu dans les cellules cancéreuses. "