La nanospectroscopie infrarouge synchrotron a été utilisée pour la première fois pour mesurer les modifications biomoléculaires induites par un médicament (amiodarone) au sein de cellules humaines (macrophages) et localisées à l'échelle 100 nanomètres, c'est-à-dire deux ordres de grandeur plus petits que la longueur d'onde IR utilisée comme sonde. Ceci a été réalisé sur la ligne de lumière d'imagerie infrarouge multimode et de micro-spectroscopie (MIRIAM) (B22) à Diamond Light Source, l'installation de rayonnement synchrotron du Royaume-Uni.
Il s'agit d'un résultat scientifique majeur en Sciences de la Vie partagé par une équipe internationale, en temps de faisceau collaboratif entre les chercheurs de la School of Cancer and Pharmaceutical Science du Kings College de Londres, le Département de technologie pharmaceutique et de biopharmacie de l'Université de Vienne, et les scientifiques de la ligne MIRIAM B22 de Diamond.
Leur récent article, maintenant publié dans Chimie analytique , s'intitule « Nanospectroscopie infrarouge photothermique synchrotron de la phospholipidose induite par les médicaments des macrophages ». Il décrit l'application de ce qu'on appelle la microscopie à force atomique infrarouge améliorée par résonance (RE AFM IR) par rayonnement synchrotron, interroger la matière biologique au niveau subcellulaire, dans ce cas, un modèle cellulaire de phospholipidose induite par un médicament (DIPL). Au lieu de la méthode traditionnelle pour évaluer le DIPL, c'est-à-dire confirmation visuelle par microscopie électronique des corps lipidiques ou l'utilisation de la technique de marquage par fluorescence - ils ont utilisé un éclairage IR à large bande par synchrotron Diamond avec la détection AFM pour obtenir à la fois la spécificité moléculaire et la résolution spatiale améliorée nécessaires pour localiser les changements métaboliques dans la cellule.
Le Dr Andrew Chan du King's College de Londres en tant que chercheur principal explique :"L'étude modèle basée sur les macrophages J774A-1 exposés/non exposés à l'amiodarone a clairement démontré que RE AFM IR avec rayonnement synchrotron est capable d'extraire des informations moléculaires locales à partir de petits organites dans une seule cellule d'une manière sans marquage. C'est remarquable parce que la détermination de la teneur en lipides dans les vacuoles est cruciale dans l'étude du DIPL. Cela aura des impacts importants sur le développement de médicaments inhalés, le DIPL étant l'une des indications clés de la réponse indésirable du corps aux particules étrangères. "
Les cartes topographiques AFM ont montré que les cellules traitées à l'amiodarone avaient un cytoplasme élargi, et des régions minces de vésicules effondrées. Les cartes infrarouges (IR) de la cellule entière ont été analysées en exploitant le signal global IR par rapport à l'épaisseur cellulaire dérivée de l'AFM, également sur la résolution latérale autour de 100 nm. L'attribution des bandes vibratoires des nanospectres était également possible :tous les pics caractéristiques pour les lipides, protéines, et ADN/ARN ont été identifiés. En outre, le rapport de bande et l'analyse chimiométrique non supervisée des nanospectres Synchrotron IR des régions nucléaires et périnucléaires des cellules ont montré que le cytoplasme des cellules traitées à l'amiodarone avait des intensités de bande significativement élevées dans les régions correspondant aux groupes phosphate et carbonyle, indiquant la détection de corps d'inclusion riches en phospholipides typiques des cellules avec DIPL.
Scientifique principal de la ligne de lumière MIRIAM à Diamond et l'un des auteurs de l'ouvrage, Dr Gianfelice Cinque, dit, "Notre expérience est, à ma connaissance, une première mondiale en spectroscopie photothermique IR Nano synchrotron en sciences de la vie, et a prouvé que la spectroscopie photothermique IR Nano peut balayer avec succès les cellules de mammifères et révéler l'empreinte moléculaire interne via le spectre IR complet, grâce à la couverture large bande Synchrotron IR."
Il a expliqué que le système de modèle cellulaire et le traitement médicamenteux illustraient la capacité de la méthode en colocalisant spatialement la morphologie et la biochimie à l'échelle subcellulaire. Ce qui était remarquable, c'est que la qualité des nanospectres obtenue était telle que les caractéristiques vibrationnelles typiques observées par microscopie IR sur les cellules biologiques étaient clairement capturées, mais pour la première fois à l'échelle nanométrique, fournissant des informations biochimiques subcellulaires sans étiquette. Il ajoute, "Cette réalisation a été la conclusion d'un long effort expérimental de l'équipe de la ligne de faisceau infrarouge B22 de Diamond, en particulier du travail d'expert du Dr Mark Frogley et du Dr Ioannis Lekkas."
Il a poursuivi en expliquant que l'excellence de la ligne de lumière MIRIAM (B22) en spectroscopie synchrotron IR Nano, c'est-à-dire Spectroscopie synchrotron RE-AFM-IR - offre un aperçu chimique et morphologique unique à une résolution inférieure à la longueur d'onde ou à 100 nm à travers une variété de recherches réelles, en particulier dans la matière molle, tels que l'effet microplastique dans les tissus vivants, phénomènes de surface antimicrobiens, microfossiles et biogéologie à l'échelle submicronique, analyse microélectronique organique, matériaux microcomposites et mésostructures.
Plus de capacité de recherche sera offerte prochainement sur la ligne MIRIAM B22, une nouvelle station d'extrémité nanoIR est attendue à partir de mi 2021. Au-delà de l'expertise actuelle en nanospectroscopie photothermique IR Synchrotron, la mise à niveau permettra de nouvelles méthodes (par exemple AFM IR en mode tapotement), et les compléter de manière cruciale avec la microscopie optique à balayage à diffusion IR (s-SNOM), pousser la résolution spatiale encore plus loin à l'échelle du nanomètre 10s.
