Image de microscopie d'une cellule du muscle cardiaque avec un minuscule laser intégré émettant une lumière verte brillante. Les rubans blancs qui traversent la cellule font partie de la machinerie qui permet aux cellules cardiaques de se contracter. L'analyse de la couleur de la lumière émise par les lasers embarqués a permis d'observer le fonctionnement de cette machinerie d'une manière inédite, avec des implications futures importantes pour la compréhension des maladies cardiaques. Crédit :Université de St Andrews
Cela ressemble à de la science-fiction, mais les lasers battant au rythme d'un cœur vivant sont exactement ce que les chercheurs de l'Université de St Andrews ont mis au point pour améliorer la compréhension de l'insuffisance cardiaque et aider à développer des traitements plus efficaces.
Diriger une équipe interdisciplinaire de scientifiques, Dr Marcel Schubert et le professeur Malte Gather de l'École de physique et d'astronomie et le Dr Samantha Pitt de l'École de médecine de l'Université de St Andrews, de minuscules lasers intégrés dans des cellules cardiaques individuelles, et en analysant la lumière produite par ces lasers, ils ont surveillé les contractions du muscle cardiaque.
La recherche, Publié dans Photonique de la nature aujourd'hui, vient l'année où le laser marque 60 ans depuis son invention.
Pour vérifier le fonctionnement du cœur, les médecins prennent le pouls d'un patient, mesurer la tension artérielle, ou faire un électrocardiogramme (ECG) qui renseigne sur la fonction et le rythme du cœur dans son ensemble, mais fournit peu d'informations sur ce qui se passe dans les différentes parties du cœur.
Les échocardiogrammes et autres méthodes sophistiquées peuvent fournir des informations plus locales, mais de nouvelles avancées, en particulier pour les traitements qui explorent les cellules souches ou les tissus greffés, nécessitera de suivre les contractions des cellules individuelles formant le muscle cardiaque.
Y parvenir, au moins dans les modèles animaux couramment utilisés pour étudier les maladies cardiaques critiques couramment observées chez les patients humains, promet une meilleure compréhension et donc un traitement plus efficace.
Cellules cardiaques battantes fluorescentes avec microlaser. Crédit :Université de St Andrews
Les lasers sont largement utilisés en imagerie biomédicale, résoudre des détails toujours plus fins de la vie, y compris les détails de la cartographie dans les cellules cardiaques. Mais parce que les lasers sont généralement gros et gourmands en énergie, ils siègent à l'extérieur du cœur et ne peuvent envoyer leur lumière qu'à la surface du tissu biologique, ce qui limite considérablement la profondeur à laquelle ils peuvent regarder.
Dans ce dernier ouvrage, de minuscules lasers ont été placés à l'intérieur du cœur où ils ont agi comme des sondes microscopiques. A chaque battement de coeur, la couleur de la lumière émise par ces lasers a changé d'une quantité faible mais clairement détectable, codant ainsi précisément les contractions des cellules cardiaques au fil du temps.
Dr Marcel Schubert, membre de la Royal Society Research Fellow à l'École de physique et d'astronomie de l'Université de St Andrews, a déclaré:"Le changement de couleur a été une grande surprise et serait causé par un changement auparavant non reconnu dans la machinerie cellulaire des cellules du muscle cardiaque."
Professeur Malte Gather, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de St Andrews, a déclaré : « Les données fournies par nos lasers ressemblent à l'ECG enregistré par votre médecin. Mais dans notre cas, il contient des informations mécaniques sur le fonctionnement interne d'une seule cellule, et il vient de plus profondément dans le tissu que les autres microscopes optiques ne peuvent voir aujourd'hui."
Bien que la recherche en soit encore à ses débuts, la présente étude prouve que les lasers peuvent résoudre des processus dynamiques rapides à l'intérieur de cellules vivantes individuelles et de cœurs entiers. Davantage de travail sera nécessaire avant que la nouvelle méthode puisse être appliquée de manière routinière dans les laboratoires de recherche du monde entier, mais l'équipe est optimiste que les lasers dans les cellules sont un pilier.
Les microlasers peuvent être facilement produits par millions et comparés à de nombreux microscopes modernes, l'infrastructure supplémentaire requise pour analyser l'émission laser est relativement bon marché et, permettre à d'autres laboratoires d'utiliser et de modifier leur méthode, l'équipe a créé tous ses protocoles et le logiciel qui convertit la sortie laser en un ECG optique disponible gratuitement.
L'équipe de recherche travaille déjà à sa prochaine étape consistant à transformer un nanolaser récemment développé en un capteur optique pour la contraction cardiaque. Être 1, 000 fois plus petit que les microlasers utilisés dans la présente étude, ces lasers augmenteront encore la polyvalence et la bio-compatibilité, ouvrant ainsi la voie aux applications de la nouvelle méthode dans des études à long terme et dans des thérapies cardiaques cliniquement pertinentes.
