Une nouvelle méthode d'imagerie peut capturer des images du système vasculaire profondément dans le cerveau des souris. Une image conventionnelle de fluorescence à grand champ du cerveau de souris prise de manière non invasive dans le spectre de la lumière visible est montrée sur la gauche, tandis que l'approche DOLI basée sur la localisation non invasive opérant dans la fenêtre spectrale NIR-II est illustrée à droite. Crédit :Daniel Razansky, Université et ETH Zurich
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique qui permet l'imagerie microscopique de fluorescence à quatre fois la limite de profondeur imposée par la diffusion de la lumière. La microscopie à fluorescence est souvent utilisée pour imager les détails moléculaires et cellulaires du cerveau dans des modèles animaux de diverses maladies, mais, jusqu'à maintenant, a été limité à de petits volumes et à des procédures hautement invasives en raison de la diffusion intense de la lumière par la peau et le crâne.
"Visualisation de la dynamique biologique dans un environnement non perturbé, au plus profond d'un organisme vivant, est essentiel pour comprendre la biologie complexe des organismes vivants et la progression des maladies, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Daniel Razansky de l'Université de Zurich et de l'ETH Zurich, tous deux en Suisse. "Notre étude représente la première fois que la microscopie à fluorescence 3D a été réalisée de manière entièrement non invasive à une résolution de niveau capillaire dans un cerveau de souris adulte, couvrant efficacement un champ de vision d'environ 1 centimètre."
Dans Optique , les chercheurs décrivent leur nouvelle technique, qui est appelée imagerie de localisation optique diffuse (DOLI). Il tire parti de ce que l'on appelle la deuxième fenêtre spectrale du proche infrarouge (NIR-II) de 1000 à 1700 nanomètres, qui présente moins de diffusion.
« Permettre des observations optiques à haute résolution dans les tissus vivants profonds représente un objectif de longue date dans le domaine de l'imagerie biomédicale, " a déclaré Razansky. " La superbe résolution de DOLI pour les observations optiques des tissus profonds peut fournir des informations fonctionnelles sur le cerveau, ce qui en fait une plateforme prometteuse pour l'étude de l'activité neuronale, microcirculation, couplage neurovasculaire et neurodégénérescence."
La nouvelle technique appelée imagerie de localisation optique diffuse (DOLI) tire parti de la fenêtre spectrale NIR-II de 1000 à 1700 nanomètres, qui présente moins de diffusion. Le premier auteur Quanyu Zhou est montré avec la configuration d'imagerie. Crédit :Daniel Razansky, Université de Zurich et ETH Zurich
Atteindre une plus grande profondeur
Pour la nouvelle technique, les chercheurs injectent par voie intraveineuse à une souris vivante des microgouttelettes fluorescentes à une concentration qui crée une distribution clairsemée dans la circulation sanguine. Le suivi de ces cibles fluides permet la reconstruction d'une carte haute résolution de la microvascularisation cérébrale profonde dans le cerveau de la souris.
"La méthode élimine la diffusion de la lumière de fond et est réalisée avec le cuir chevelu et le crâne intacts, " dit Razansky. " Fait intéressant, nous avons également observé une forte dépendance de la taille du spot enregistré par la caméra sur la profondeur des microgouttelettes dans le cerveau, qui a permis une imagerie résolue en profondeur."
La nouvelle approche bénéficie de l'introduction récente de caméras infrarouges à ondes courtes très efficaces basées sur des capteurs InGaAs. Un autre élément clé était l'utilisation de nouveaux agents de contraste présentant de fortes réponses de fluorescence dans la fenêtre NIR-II, tels que les points quantiques à base de sulfure de plomb (PbS).
Les chercheurs ont testé la nouvelle technique sur des fantômes de tissus qui imitent les propriétés moyennes des tissus cérébraux, démontrant qu'ils pouvaient acquérir des images de résolution microscopique à des profondeurs allant jusqu'à 4 millimètres dans des tissus optiquement opaques. Crédit :Daniel Razansky, Université de Zurich et ETH Zurich
Imagerie nette et claire
Les chercheurs ont d'abord testé la nouvelle technique dans des modèles synthétiques de tissus connus sous le nom de fantômes de tissus qui imitent les propriétés moyennes des tissus cérébraux, démontrant qu'ils pouvaient acquérir des images de résolution microscopique à des profondeurs allant jusqu'à 4 millimètres dans des tissus optiquement opaques. Ils ont ensuite effectué DOLI sur des souris vivantes où la microvascularisation cérébrale ainsi que la vitesse et la direction du flux sanguin pouvaient être visualisées de manière entièrement non invasive.
Les chercheurs travaillent à optimiser la précision dans les trois dimensions pour améliorer la résolution de DOLI. Ils développent également des agents fluorescents améliorés qui sont plus petits, ont une intensité de fluorescence plus forte et sont plus stables in vivo. Cela augmentera considérablement les performances de DOLI en termes de rapport signal/bruit réalisable et de profondeur d'imagerie.
"Nous nous attendons à ce que DOLI émerge comme une approche puissante pour l'imagerie par fluorescence d'organismes vivants à des régimes de profondeur et de résolution auparavant inaccessibles, ", a déclaré Razansky. "Cela améliorera considérablement l'applicabilité in vivo des techniques de microscopie à fluorescence et de tomographie."
