Des scientifiques du MIT et de l'Université du Texas à Arlington (UTA) ont développé un nouveau type de microscopie qui peut imager les cellules à travers une plaquette de silicium, leur permettant de mesurer avec précision la taille et le comportement mécanique des cellules derrière la plaquette.

La nouvelle technologie, qui repose sur la lumière proche infrarouge, pourrait aider les scientifiques à en savoir plus sur les cellules malades ou infectées lorsqu'elles traversent des dispositifs microfluidiques en silicium.

"Cela a le potentiel de fusionner la recherche en visualisation cellulaire avec toutes les choses passionnantes que vous pouvez faire sur une plaquette de silicium, " dit Ishan Barman, un ancien post-doctorant au Laser Biomedical Research Center (LBRC) du MIT et l'un des principaux auteurs d'un article décrivant la technologie dans le numéro du 2 octobre de la revue Rapports scientifiques .

Les autres auteurs principaux de l'article sont l'ancien postdoctorant du MIT Narahara Chari Dingari et les étudiants diplômés de l'UTA Bipin Joshi et Nelson Cardenas. L'auteur principal est Samarendra Mohanty, professeur assistant de physique à l'UTA. Les autres auteurs sont l'ancienne postdoctorante du MIT Jaqueline Soares, actuellement professeur assistant à l'Université fédérale d'Ouro Preto, Brésil, et Ramachandra Rao Dasari, directeur associé du LBRC.

Le silicium est couramment utilisé pour construire des dispositifs microfluidiques "laboratoires sur puce", qui peut trier et analyser les cellules en fonction de leurs propriétés moléculaires, ainsi que des dispositifs microélectroniques. De tels dispositifs ont de nombreuses applications potentielles dans la recherche et le diagnostic, mais ils pourraient être encore plus utiles si les scientifiques pouvaient imager les cellules à l'intérieur des appareils, dit Barman, qui est maintenant professeur adjoint de génie mécanique à l'Université Johns Hopkins.

Pour y parvenir, Barman et ses collègues ont profité du fait que le silicium est transparent aux longueurs d'onde de la lumière infrarouge et proche infrarouge. Ils ont adapté une technique de microscopie connue sous le nom d'imagerie de phase quantitative, qui fonctionne en envoyant un faisceau laser à travers un échantillon, puis diviser le faisceau en deux. En combinant ces deux faisceaux et en comparant les informations portées par chacun, les chercheurs peuvent déterminer la hauteur de l'échantillon et son indice de réfraction, une mesure de la mesure dans laquelle le matériau force la lumière à se plier lors de son passage.

L'imagerie de phase quantitative traditionnelle utilise un laser hélium-néon, qui produit de la lumière visible, mais pour le nouveau système, les chercheurs ont utilisé un laser au saphir de titane qui peut être réglé sur les longueurs d'onde infrarouges et proches infrarouges. Pour cette étude, les chercheurs ont découvert que la lumière d'une longueur d'onde de 980 nanomètres fonctionnait mieux.

En utilisant ce système, les chercheurs ont mesuré les changements dans la hauteur des globules rouges, avec une sensibilité nanométrique, à travers une plaquette de silicium similaire à celles utilisées dans la plupart des laboratoires d'électronique.

Au fur et à mesure que les globules rouges circulent dans le corps, ils doivent souvent se faufiler dans des vaisseaux très étroits. Lorsque ces cellules sont infectées par le paludisme, ils perdent cette capacité à se déformer, et forment des sabots dans de minuscules vaisseaux. La nouvelle technique de microscopie pourrait aider les scientifiques à étudier comment cela se produit, Dingari dit; il pourrait également être utilisé pour étudier la dynamique des cellules sanguines mal formées qui causent l'anémie falciforme.

Les chercheurs ont également utilisé leur nouveau système pour surveiller les cellules rénales embryonnaires humaines alors que de l'eau pure était ajoutée à leur environnement, un choc qui oblige les cellules à absorber de l'eau et à gonfler. Les chercheurs ont pu mesurer la distension des cellules et calculer la variation de leur indice de réfraction.

"Personne n'a montré ce genre de microscopie de structures cellulaires auparavant à travers un substrat de silicium, " dit Mohanty.

« C'est une nouvelle direction passionnante qui ouvrira probablement d'énormes opportunités pour l'imagerie de phase quantitative, " dit Gabriel Popescu, un professeur adjoint de génie électrique et d'informatique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche.

« Les possibilités sont infinies :des dispositifs micro- et nanofluidiques aux substrats structurés, les dispositifs pourraient cibler des applications allant de la détection moléculaire à la caractérisation de cellules entières et au criblage de médicaments dans des populations cellulaires, ", dit Popescu.

Le laboratoire de Mohanty à l'UTA utilise maintenant le système pour étudier comment les neurones cultivés sur une plaquette de silicium communiquent entre eux.

Dans le Rapports scientifiques papier, les chercheurs ont utilisé des plaquettes de silicium d'environ 150 à 200 microns d'épaisseur, mais ils ont depuis montré que du silicium plus épais peut être utilisé si la longueur d'onde de la lumière est augmentée dans la gamme infrarouge. Les chercheurs travaillent également à modifier le système pour qu'il puisse imager en trois dimensions, similaire à une tomodensitométrie.

La recherche a été financée par l'Institut national d'imagerie biomédicale et de bioingénierie et Nanoscope Technologies, LLC.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.