A un patient, l'analyse d'un échantillon de biopsie tissulaire pour rechercher quelque chose comme un cancer peut sembler un processus relativement simple, même si cela signifie renoncer à un petit morceau de chair à tester. L'échantillon se dirige vers un laboratoire, le patient rentre chez lui, et quelques jours plus tard, le médecin appelle avec les résultats.

En réalité, il faut beaucoup de travail pour préparer un échantillon de tissu et l'évaluer à la recherche de signes de maladie. A voir au microscope, l'échantillon doit être coupé en tranches extrêmement fines qui peuvent n'avoir que quelques cellules d'épaisseur. Et pour faciliter la visualisation, le technicien peut utiliser une variété de colorants pour marquer des protéines ou des structures cellulaires spécifiques.

"Un traitement approfondi de l'échantillon est nécessaire, " dit Lihong Wang, Professeur Bren de Caltech en génie médical et en génie électrique dans la division de l'ingénierie et des sciences appliquées. "Vous ne pouvez étiqueter qu'un nombre limité de molécules à la fois, et vous devez faire un lavage entre les étiquetages. Et certaines molécules n'absorbent pas les colorants et ne sont pas du tout étiquetées."

Une nouvelle technique en cours de développement dans le laboratoire de Wang vise à rendre ce processus beaucoup plus simple et moins invasif. Au lieu d'utiliser des colorants, la technique utilise des impulsions de lumière laser pour imager un échantillon.

Cette nouvelle approche, appelée microscopie photoacoustique dans l'infrarouge moyen localisée dans l'ultraviolet, ou ULM-PAM, développe des images des structures microscopiques trouvées dans un morceau de tissu en bombardant l'échantillon avec une lumière laser infrarouge et ultraviolette.

Un échantillon à imager est d'abord frappé avec une impulsion de lumière laser ultraviolette. Cette lumière fait vibrer les molécules à l'intérieur de l'échantillon. Des capteurs placés contre l'échantillon captent ces signaux de vibration et les transmettent à un ordinateur qui les traite.

A l'étape suivante, l'échantillon est frappé par une impulsion de lumière laser infrarouge. Cette impulsion chauffe légèrement mais pas uniformément l'échantillon. Certains matériaux dans l'échantillon, comme les protéines ou l'ADN, chauffera plus que les autres car ils absorbent plus d'énergie du laser.

Immédiatement après l'impulsion de chauffage, l'échantillon est à nouveau frappé par une impulsion de lumière laser ultraviolette. Tout comme avant, la lumière UV fait vibrer les molécules à l'intérieur de l'échantillon, et ces signaux sont transmis à l'ordinateur. En comparant les signaux des échantillons avant et après leur chauffage, l'ordinateur crée une image dans laquelle les structures peuvent être identifiées par leurs signatures thermiques. Étant donné que les cellules cancéreuses expriment les protéines et l'ADN différemment des cellules saines, ils peuvent être différenciés de cette façon.

Pour mieux comprendre son fonctionnement, imaginez qu'on vous donne deux feuilles de papier - une blanche et une noire - et qu'on vous demande de déterminer laquelle est laquelle sans les regarder.

Une façon de le faire serait de placer les deux feuilles de papier au soleil, attends quelques minutes, puis prendre leur température. Parce que les objets noirs absorbent plus de lumière que les objets blancs, le drap noir deviendrait plus chaud que le blanc. La lumière du soleil dans cet exemple est analogue au laser infrarouge utilisé dans la technique ULM-PAM, et le thermomètre est analogue au laser UV.

Junhui Shi, un chercheur postdoctoral en génie médical dans le laboratoire de Wang, a dirigé l'effort de deux ans pour développer ULM-PAM et dit que le projet a rencontré des obstacles importants.

"Parce que la lumière ultraviolette et l'infrarouge ont des propriétés différentes, nous avons dû trouver des miroirs et des verres spéciaux qui pourraient concentrer les deux, " dit-il. " Et parce qu'il n'existe pas de caméra qui puisse voir les deux, nous avons dû développer des moyens de voir s'ils étaient correctement concentrés."

Bien que Wang et Shi aient montré que l'ULM-PAM fonctionne, leur technique reste au stade de la preuve de concept. Cela prend encore trop de temps pour être utile dans un cadre clinique, même si la mise à niveau des lasers permettra des analyses plus rapides des échantillons de tissus, ils disent.

Un objectif à plus long terme est de développer la technologie en quelque chose qui peut être utilisé sur les tissus alors qu'ils sont encore dans le corps d'un patient, dit Wang.

"Je veux déplacer cela vers in vivo. Je veux l'utiliser pour imager les cellules cancéreuses pendant la chirurgie, " dit-il. " Ce serait le rêve. "

L'article décrivant la technique, intitulé "Haute résolution, imagerie infrarouge moyen à contraste élevé d'échantillons biologiques frais avec microscopie photoacoustique localisée dans l'ultraviolet, " apparaît dans le numéro du 13 mai de Photonique de la nature .