a La lamelle nanophotonique améliorée (NEC) ajoute une capacité d'imagerie de phase à une lamelle de microscope normale, réduisant ainsi les méthodes d'imagerie de phase volumineuses à la taille d'une puce. La conception de moins de 200 nm d'épaisseur consiste en un réseau espacé de sous-longueurs d'onde au-dessus d'un film optiquement mince, supporté par un substrat de verre. b Démonstration exemplaire d'imagerie de phase de cellules cancéreuses humaines (cellules HeLa) à l'aide du NEC. En plaçant la boîte de Pétri contenant la culture cellulaire directement sur le NEC, des pseudo images 3D des cellules sont créées. Les images obtenues sont similaires à celles obtenues par la technique d'imagerie de phase classique de la microscopie à contraste d'interférence différentiel (DIC). Dans l'image de référence, enregistré sans le NEC, les cellules sont pour la plupart invisibles. c L'utilisation du dispositif NEC a non seulement permis de visualiser la forme générale de la cellule, mais aussi des caractéristiques à l'intérieur du noyau cellulaire (à gauche). Cela a été confirmé par comparaison avec des images obtenues par microscopie DIC conventionnelle (au milieu) et par microscopie à fluorescence (à droite). Crédit :Lukas Wesemann, Jon Rickett, Chanson Jingchao, Jieqiong Lou, Elisabeth Hinde, Timothy J. Davis, et Ann Roberts
La capacité de visualiser des objets transparents tels que des cellules biologiques est d'une importance fondamentale en biologie et en diagnostic médical. Les approches conventionnelles pour y parvenir incluent la microscopie à contraste de phase et les techniques qui reposent sur la coloration chimique des cellules biologiques. Ces techniques, cependant, reposent sur des composants optiques coûteux et encombrants ou nécessitent un changement, et dans certains cas dommageable, la cellule en introduisant des agents de contraste chimiques. Les avancées récentes significatives de la technologie de nanofabrication permettent de structurer des matériaux à l'échelle nanométrique avec une précision sans précédent. Cela a donné naissance au domaine révolutionnaire de la méta-optique qui vise à développer des composants optiques ultra-compacts qui remplacent leurs homologues optiques en vrac comme par exemple les lentilles et les filtres optiques. Ces dispositifs méta-optiques présentent des propriétés inhabituelles pour lesquelles ils ont récemment suscité un intérêt scientifique important en tant que nouvelles plates-formes pour les applications d'imagerie.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Ann Roberts du nœud de l'Université de Melbourne du Centre d'excellence du Conseil australien de la recherche pour les systèmes méta-optiques transformateurs ont développé un ultra-compact, lamelle de microscope nanostructurée qui permet la visualisation de cellules biologiques non colorées. Le dispositif est appelé une lamelle nanophotonique améliorée (NEC) car il ajoute une capacité d'imagerie de phase à une lamelle de microscope normale. Dans leur étude, les chercheurs ont démontré qu'en plaçant simplement des cellules biologiques sur le NEC, Des images pseudo 3D à contraste élevé de cellules autrement invisibles sont obtenues. Les scientifiques ont utilisé l'exemple des cellules cancéreuses humaines (cellules HeLa) pour démontrer le potentiel de cette nouvelle méthode d'imagerie de phase. La méthode a non seulement permis de visualiser la forme générale des cellules cancéreuses, mais a également rendu visibles les détails du noyau cellulaire. Cette capacité est cruciale puisque la détection de changements dans la structure des cellules biologiques sous-tend la détection de maladies comme par exemple dans le cas du paludisme.
La version du NEC présentée dans la publication diffère d'une lamelle normale par l'ajout d'un film optique mince et d'un réseau espacé du nanomètre. L'équipe de recherche, cependant, envisager des variantes plus complexes de ce concept pour étendre davantage les capacités de la méthode à un fonctionnement à différentes longueurs d'onde et à une intégration dans des systèmes d'imagerie optique ou microfluidiques hautement spécialisés. En conclusion, cette recherche a démontré une méthode d'imagerie de phase entièrement nouvelle qui présente un potentiel important pour faire partie des futurs systèmes d'imagerie biologique et des outils de diagnostic médical mobiles.
Les scientifiques résument le potentiel de leur méthode d'imagerie de phase :« Nous avons conçu une lamelle de microscope nanostructurée qui nous permet de visualiser des cellules biologiques par ailleurs transparentes simplement en les plaçant sur le dessus de l'appareil et en projetant de la lumière à travers elles. Il s'agit d'une percée passionnante dans le domaine de l'imagerie de phase, puisque notre méthode ne nécessite ni l'utilisation de composants optiques en vrac, coloration chimique ou post-traitement informatique comme c'est le cas avec les méthodes conventionnelles », a expliqué le professeur Roberts.
« L'indisponibilité d'outils de diagnostic médical dans de nombreux pays en développement est considérée comme une raison pour laquelle les maladies infectieuses comme le paludisme et la tuberculose restent une cause majeure de décès. Notre approche a un potentiel important pour devenir une solution peu coûteuse, outil d'imagerie de phase ultra-compact qui pourrait être intégré dans les caméras des smartphones et autres appareils mobiles pour rendre les diagnostics médicaux mobiles largement disponibles », a ajouté le Dr Wesemann.
