(PhysOrg.com) -- Imagerie par résonance magnétique, développé au début des années 1970, est devenu un outil de diagnostic standard pour le cancer, maladies cardiovasculaires et troubles neurologiques, entre autres. L'IRM est parfaitement adaptée à l'imagerie médicale car elle offre un aperçu tridimensionnel sans précédent à l'intérieur des tissus vivants sans endommager les tissus. Cependant, son utilisation dans les études scientifiques a été limitée car il ne peut rien imager plus petit que plusieurs micromètres cubes.

Aujourd'hui, les scientifiques combinent la capacité 3D de l'IRM avec la précision d'une technique appelée microscopie à force atomique. Cette combinaison permet une visualisation en 3D de minuscules spécimens tels que des virus, cellules et potentiellement les structures à l'intérieur des cellules - une amélioration de 100 millions de fois par rapport à l'IRM utilisée dans les hôpitaux.

L'année dernière, Christian Degen, professeur assistant de chimie au MIT, et collègues du centre de recherche IBM Almaden, où Degen a travaillé comme associé postdoctoral avant de venir au MIT, a utilisé cette stratégie pour créer le premier appareil d'IRM capable de capturer des images 3D de virus. Le weekend dernier, leur article rapportant la capacité de prendre une image IRM d'un virus de la mosaïque du tabac a reçu le prix Cozzarelli 2009 de la National Academy of Sciences, pour l'excellence et l'originalité scientifiques dans la catégorie ingénierie et sciences appliquées.

« C’est de loin la technique d’imagerie IRM la plus sensible qui ait été démontrée, " dit Raffi Budakian, professeur assistant de physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche.

L'utilisation de l'IRM à l'échelle nanométrique pour révéler les formes 3D des molécules biologiques offre une amélioration significative par rapport à la cristallographie aux rayons X, qui était la clé pour découvrir la structure en double hélice de l'ADN mais qui n'est pas bien adaptée aux protéines car elles sont difficiles à cristalliser, dit Budakian. "Il n'y a vraiment aucune autre technique qui puisse aller molécule par molécule et déterminer la structure, " il dit. Découvrir de telles structures pourrait aider les scientifiques à en savoir plus sur les maladies causées par des protéines malformées et à identifier de meilleures cibles médicamenteuses.

Cette animation montre comment la microscopie à résonance magnétique capture des images de minuscules échantillons tels que des virus. Simulation informatique :Christian Degen

Amélioration de l'IRM

L'IRM traditionnelle tire parti des signaux magnétiques très faibles émis par les noyaux d'hydrogène dans l'échantillon à imager. Lorsqu'un puissant champ magnétique est appliqué au tissu, les spins magnétiques des noyaux s'alignent, générer un signal suffisamment fort pour qu'une antenne puisse le détecter. Cependant, les spins magnétiques sont si faibles qu'un très grand nombre d'atomes (généralement plus d'un billion) sont nécessaires pour générer une image, et la meilleure résolution possible est d'environ trois millionièmes de mètre (environ la moitié du diamètre d'un globule rouge).

En 1991, Le physicien théoricien John Sidles a d'abord proposé l'idée de combiner l'IRM avec la microscopie à force atomique pour imager de minuscules structures biologiques. Les physiciens d'IBM ont construit le premier microscope basé sur cette approche, microscopie à force de résonance magnétique (MRFM), en 1993.

Depuis, des chercheurs, dont Degen et ses collègues d'IBM, ont amélioré la technique au point où elle peut produire des images 3D avec une résolution aussi basse que cinq à 10 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre. (Un cheveu humain vaut environ 80, 000 nanomètres d'épaisseur.)

Avec MRFM, l'échantillon à examiner est attaché à l'extrémité d'un minuscule cantilever en silicium (environ 100 millionièmes de mètre de long et 100 milliardièmes de mètre de large). Lorsqu'une pointe magnétique en fer cobalt se rapproche de l'échantillon, les spins nucléaires des atomes y sont attirés et génèrent une petite force sur le cantilever. Les tours sont ensuite retournés à plusieurs reprises, faisant osciller doucement le porte-à-faux d'avant en arrière dans un mouvement synchrone. Ce déplacement est mesuré avec un faisceau laser pour créer une série d'images 2D de l'échantillon, qui sont combinés pour générer une image 3-D.

La résolution MRFM est presque aussi bonne (dans un facteur de 10) de la résolution de la microscopie électronique, la technique d'imagerie la plus sensible que les biologistes utilisent aujourd'hui. Cependant, contrairement à la microscopie électronique, MRFM peut imager des échantillons délicats comme des virus et des cellules sans les endommager.

De nouvelles cibles

Degen, qui s'est intéressé à la poursuite de nouvelles techniques d'IRM après avoir assisté à une démonstration de microscope électronique à l'université, dit que son travail pourrait aider les biologistes structurels à découvrir de nouvelles cibles médicamenteuses pour les virus.

« Habituellement, si vous voulez savoir comment les choses fonctionnent, il faut trouver la structure. Sinon, vous ne savez pas comment concevoir des médicaments, " il dit. « Vous travaillez dans un angle mort. »

Degen et Ye Tao, étudiant diplômé en chimie, construisent maintenant un microscope MRFM dans le sous-sol du bâtiment 2 du MIT. Une fois terminé, le microscope sera l'un des rares du genre au monde. La plupart des pièces sont en place et fonctionnent, mais Degen et Tao doivent encore obtenir l'unité de réfrigération qui refroidira le système juste au-dessus du zéro absolu. Le système doit être refroidi à 50 millikelvins pour minimiser les vibrations thermiques, qui interfèrent avec le signal de déplacement induit par l'aimant du cantilever.

Degen espère recevoir le groupe frigorifique fin mai ou début juin, mais l'expédition pourrait être retardée par une pénurie continue d'isotopes d'hélium, qui sont nécessaires pour obtenir le refroidissement nécessaire. Si tout se passe comme prévu, le microscope pourrait générer des images d'ici la fin de cette année.

Degen et deux de ses étudiants poursuivent également une autre nouvelle approche de l'IRM à l'échelle nanométrique. Cette approche utilise la fluorescence au lieu du magnétisme pour imager les échantillons. Leur nouveau microscope remplace la pointe magnétique par un diamant qui présente un défaut dans sa structure cristalline. Le défaut, connu sous le nom de défaut de manque d'azote, fonctionne comme un capteur car son intensité de fluorescence est altérée par les interactions avec les spins magnétiques. Cette configuration n'a pas besoin d'être refroidie, afin que les échantillons puissent être imagés à température ambiante.