La même section d'un cerveau de souris imagée avec un laser femtoseconde (ci-dessus) et un laser beaucoup plus faible mais le nouveau colorant (ci-dessous).
(Phys.org) - Une technique d'imagerie à base de colorant connue sous le nom de microscopie à deux photons peut produire des images de structures neurales actives avec des détails beaucoup plus fins que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf, mais cela nécessite des lasers puissants et coûteux. Maintenant, une équipe de recherche de l'Université de Pennsylvanie a mis au point un nouveau type de colorant qui pourrait réduire le coût de la technique de plusieurs ordres de grandeur.
L'étude a été dirigée par le professeur agrégé Sergei Vinogradov et la chercheuse postdoctorale Tatiana Esipova, tous deux du département de biochimie et de biophysique moléculaire de la Penn's Perelman School of Medicine, avec Christopher Murray, professeur dans les départements de chimie de l'École des arts et des sciences et de science et génie des matériaux de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées.
Il a été publié dans le Actes des Académies nationales des sciences .
La microscopie à deux photons consiste à utiliser un laser puissant pour tirer rapidement des photons dans un faisceau hautement focalisé qui peut traverser les tissus vivants. L'énergie combinée d'une paire de photons infrarouges qui entrent en collision avec une molécule d'un colorant marqueur provoque sa fluorescence dans le domaine visible. En balayant le foyer du faisceau sur un espace tridimensionnel, la fluorescence du colorant peut révéler même les plus petites structures 3D, tels que les capillaires sanguins dans le cerveau et même les cellules individuelles. Et en utilisant des colorants sensibles à la chimie de processus biologiques spécifiques, comme le mouvement des ions calcium qui permet aux neurones de se déclencher, la technique peut même être utilisée pour l'imagerie fonctionnelle; il peut détecter des changements dans l'activité neuronale pendant que le sujet pense.
"C'est pratiquement le seul moyen d'examiner en profondeur des cellules individuelles ou même des structures sous-cellulaires dans le cerveau, " dit Vinogradov. " FMRI ne vous donne que des régions plus grandes; vous ne voyez pas les détails. Et beaucoup de choses qui nous intéressent sont très proches les unes des autres."
L'inconvénient de cette technique est que les colorants actuellement disponibles nécessitent d'énormes quantités d'énergie pour produire des images utilisables. Les chercheurs doivent utiliser des lasers femtoseconde, qui peut tirer un quadrillion de paires de photons par seconde. Ces lasers sont très chers, cependant, limitant les applications de la technique de microscopie.
Une solution possible serait d'utiliser un colorant fluorescent plus facilement. À cette fin, les nanoparticules fabriquées à partir des éléments lanthanides ont longtemps été étudiées comme sondes moléculaires.
"Ces nanoparticules ont une excitabilité un million à 10 millions de fois plus élevée que les colorants moléculaires existants, " dit Vinogradov. " Cela signifie que pour exciter ces nanoparticules, vous pouvez utiliser une source lumineuse qui coûte plus de 200 $ plutôt que 200 $, 000."
Le défi était alors d'introduire des nanoparticules de lanthanide dans les types de tissus que les chercheurs voulaient étudier, comme le cerveau. Parce que ces nanoparticules ne sont pas solubles, ils ne peuvent pas être injectés en toute sécurité dans la circulation sanguine. Au lieu de couler avec le sang, ils s'asseyaient au fond des vaisseaux sanguins, formant finalement un caillot.
D'autres groupes ont essayé d'augmenter la solubilité des nanoparticules en les enveloppant dans un matériau hydrophile, ou amoureux de l'eau, polymères. Ces polymères sont essentiellement des cordes avec une queue qui est attirée par l'eau et une tête qui est attirée par la particule. En théorie, la tête se lierait à la surface des nanoparticules et la queue interagirait avec la circulation sanguine, mais, car la ficelle serait attachée à la particule par un seul point de contact, il pourrait facilement tomber. L'ajout de sites de liaison de particules à la chaîne résout un problème mais en crée un autre.
"Ce genre de ficelle s'enroule et se colle à la particule, mais aucune de ses parties hydrophile ne reste disponible pour interagir avec le solvant, ", a déclaré Vinogradov. "Il se fixe à la nanoparticule mais ne la rend pas beaucoup plus soluble."
Vinogradov et ses collègues ont adopté une approche différente, fabrication de polymères dendritiques. Ces dendrimères ont de multiples branches attachées à un noyau, leur donnant une forme globale sphérique.
"Imaginez que vous ayez une balle de tennis, et vous le collez à un mur recouvert de Velcro. Parce que c'est une balle, il y a encore une fraction importante de sa surface qui est encore exposée, " a déclaré Vinogradov. "Nous prenons les nanoparticules de lanthanide et couvrons toute leur surface avec ces boules hydrophiles. C'est un concept géométrique très simple."
La fixation de ces dendrimères à des nanoparticules a été possible grâce aux recherches antérieures de Christopher Murray, qui a permis une procédure spéciale pour « revêtement d'apprêt » les surfaces de nanoparticules avec une couche qui facilite leur interaction avec les dendrimères.
Les chercheurs ont testé l'efficacité de cette approche sur un modèle murin. Ils ont commencé par injecter un colorant marqueur conventionnel et utiliser un laser femtoseconde pour cartographier le système vasculaire d'une section du cerveau de la souris. Ils sont ensuite passés à un laser un million de fois plus faible et ont à nouveau cartographié la même région, ne produisant de manière prévisible aucune fluorescence. Finalement, ils ont conservé le même laser faible mais ont injecté les nanoparticules recouvertes de dendrimère, ce qui a permis aux chercheurs de produire les mêmes images que dans le premier essai.
"Cela signifie que nous avons fait la même expérience que le laser femtoseconde mais avec un laser qui coûte des centaines de milliers de dollars de moins, " a déclaré Vinogradov.
Cette expérience a été la première démonstration de l'utilisation de nanoparticules de lanthanide dans le neuromiaging ainsi que le premier exemple de microscopie in vivo à deux photons avec des lasers bon marché.
