Illumination laser dans un microscope à fluorescence à nappe lumineuse. Crédit :Shutterstock
La microscopie à fluorescence à feuillets lumineux est une nouvelle méthode d'imagerie passionnante qui exploite de fines feuilles de lumière pour créer des images de grands échantillons biologiques tels que des embryons de mouches et de poissons, des souris et même des morceaux de tissus humains. Et son utilisation pourrait conduire à un diagnostic moins intrusif et plus efficace pour les patients.
A l'Université de St Andrews, nous avons récemment utilisé les propriétés inhabituelles des faisceaux laser façonnés pour obtenir une image plus claire plus profondément à l'intérieur des spécimens - en utilisant des faisceaux qui se plient et courbent les coins arrondis et deviennent plus lumineux, plutôt que gradateur, pendant qu'ils voyagent.
En revanche, Si vous tenez brièvement un doigt devant un pointeur laser conventionnel, vous remarquerez que votre doigt brille alors que le faisceau diffuse la lumière dans toutes les directions et que seule une petite quantité de lumière, le cas échéant, la traverse.
La microscopie s'est développée à un rythme effréné depuis son développement il y a plus de 350 ans, pourtant, il reste difficile d'imager de grands échantillons tridimensionnels (3D). Cela signifie que les échantillons biologiques ont tendance à être des couches de cellules uniques cultivées sur une lame de verre mince, ce qui n'est pas un scénario très réaliste.
Les gens sont des êtres en 3D et la recherche sur les maladies doit en tenir compte. Si une personne reçoit un médicament pour une maladie, ce serait bien si cela n'en causait pas un autre. C'est pour cette raison qu'une grande partie de la recherche biomédicale s'oriente vers des modèles 3D pour étudier plus précisément des maladies telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Cependant, La microscopie à fluorescence en nappe de lumière est une technologie particulièrement adaptée à l'imagerie rapide et sans dommage de grands volumes. La géométrie de cette forme de microscopie a été initialement développée au début du 20e siècle pour faciliter l'étude des nanoparticules.
L'image du haut montre des feuilles de lumière en forme utilisées pour l'imagerie (vert) qui donnent plus de contraste en profondeur dans les organismes marins et le signal fluorescent qu'ils excitent dans l'échantillon (rouge). L'image en niveaux de gris sous les profils de faisceaux est constituée d'images prises en balayant la nappe lumineuse à travers le tissu des vers de quille. L'image du bas montre le contraste amélioré à une pénétration plus profonde obtenue avec la nouvelle technique de mise en forme du faisceau. (Barre d'échelle :20 microns.) Crédit :Jonathan Nylk
Richard Zsigmondy a remporté le prix Nobel de chimie en 1925 en partie pour avoir développé cette technologie, mais elle est tombée en désuétude par la suite. Ce n'est qu'avec l'avènement de l'éclairage laser et des biomarqueurs fluorescents naturels que la microscopie à feuillet de lumière, au cours des deux dernières décennies, connu une renaissance de l'imagerie biomédicale.
Tourneur de page
Le manque de contraste dans une image peut s'avérer un obstacle important lorsqu'il s'agit d'imager de grands échantillons. C'est l'équivalent d'essayer de lire un livre avec des pages transparentes dans le noir.
Si vous braquez une torche sur le livre, les mots sur la page seront visibles, mais vous verrez également les mots devant et derrière la page que vous lisez, ce qui rend extrêmement difficile de dire quel mot vient de quelle page. Le même problème s'applique à essayer de voir à l'intérieur de grands échantillons en utilisant la microscopie à fluorescence.
Lorsque vous lisez le chemin de la feuille de lumière, le livre redevient accessible simplement en tenant la torche sur le côté du livre et en la faisant briller sur chaque page séparément.
En microscopie optique, une fine feuille de lumière est envoyée sur le côté de l'échantillon qui coupe la partie que vous souhaitez regarder. Par ici, la fluorescence est toujours générée dans le plan d'intérêt mais pas ailleurs et le résultat final est une netteté, image claire. En rendant la feuille de lumière plus mince, les objets plus petits deviennent visibles.
Le vrai défi consiste à fabriquer une feuille de lumière ultra-mince qui coupe un échantillon entier. Malgré l'approche innovante de l'imagerie, la nappe de lumière est encore régie par les règles de l'optique. Un faisceau laser standard - connu sous le nom de faisceau gaussien - est limité par la divergence.
Si vous focalisez un faisceau gaussien jusqu'à un point, il va diverger et s'étendre par la suite. Si vous vous concentrez plus étroitement, il s'étendra plus rapidement. Cela limite la longueur des feuilles légères ultra-fines, et donc il ne peut pas être utilisé pour l'imagerie d'objets volumineux.
Les chercheurs ont commencé à explorer l'utilisation de faisceaux exotiques dotés de propriétés inhabituelles pour créer des nappes de lumière en 2010. Ces faisceaux trichent sur la divergence et ne changent pas de forme ou de taille lorsqu'ils se déplacent et peuvent donc rester minces sur de bien plus grandes distances qu'un faisceau gaussien standard. donnant un microscope à haute résolution et une grande zone d'imagerie.
Des poutres exotiques à gagner
Poutres Bessel et Poutres Airy, qui ont été dits pour donner un "triple gain" pour la microscopie, sont les poutres exotiques les plus remarquables pour contourner les règles.
Non seulement ces faisceaux exotiques permettent une plus grande résolution sur une grande zone d'imagerie, mais ils diffusent également leur énergie, protégeant ainsi l'échantillon des dommages intenses causés par l'irradiation laser. Ils résistent également à la diffusion et ne se déforment donc pas, résultant en des feuilles de lumière et des images de haute qualité.
L'image montre des profils de feuillets lumineux dans un échantillon absorbant :les formes des faisceaux lumineux qui « tranchent » à travers le tissu lors d'expériences antérieures (rangée du haut), et les nouvelles versions améliorées de ces faisceaux lumineux qui restent plus lumineux plus longtemps (rangée du bas). Crédit :Jonathan Nylk
Récemment, nous avons pris davantage le contrôle de la forme de ces poutres spéciales, en utilisant des faisceaux et des nappes lumineuses qui peuvent augmenter en intensité et devenir plus lumineuses au fur et à mesure de leur déplacement. L'utilisation de nappes de lumière qui deviennent plus lumineuses signifie que nous obtenons plus de signal des échantillons profonds à l'intérieur où l'absorption rendrait normalement la nappe de lumière et l'image bruyantes et beaucoup plus faibles.
La technique repose sur le contrôle de la façon dont l'énergie est répartie dans l'échantillon. Le moyen naïf d'obtenir plus de signal des zones plus profondes d'un échantillon serait d'augmenter la puissance du laser, ce qui pourrait causer beaucoup de dommages à la surface de l'échantillon. En concentrant sélectivement plus d'énergie dans les couches profondes uniquement, nous pouvons augmenter le signal d'une manière qui ne devrait pas endommager le spécimen.
Nos recherches ont montré que cette approche de la lumière façonnée est bénéfique pour l'imagerie par feuille de lumière, mais nous pensons également que cela pourrait repousser les limites d'une gamme d'autres techniques d'imagerie optique telles que la tomographie par cohérence optique - une sorte de méthode d'imagerie "à ultrasons optiques" qui trouve de nombreuses applications cliniques, y compris l'imagerie rétinienne.
C'est une période passionnante pour travailler avec des poutres aussi exotiques.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original. 
