Les scientifiques ont de nombreux outils à leur disposition pour examiner les tissus préservés au microscope avec des détails incroyables, ou en scrutant le corps vivant à une résolution inférieure. Ce qu'ils n'ont pas eu, c'est un moyen de faire les deux :créer une image tridimensionnelle en temps réel de cellules individuelles ou même de molécules chez un animal vivant.

Maintenant, Les scientifiques de Stanford ont fourni le premier aperçu sous la peau d'un animal vivant, montrant des détails complexes en temps réel dans les trois dimensions de la lymphe et des vaisseaux sanguins.

La technique, appelé MOZART (pour MOlecular imaging and characteriZation of tissue noninvasively At cellular ResoluTion), pourrait un jour permettre aux scientifiques de détecter des tumeurs dans la peau, côlon ou œsophage, ou même de voir les vaisseaux sanguins anormaux qui apparaissent dans les premiers stades de la dégénérescence maculaire - une des principales causes de cécité.

"Nous avons essayé de regarder dans le corps vivant et de voir des informations au niveau de la cellule unique, " dit Adam de la Zerda, professeur adjoint de biologie structurelle à Stanford et auteur principal de l'article. "Jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen de le faire."

De la Zerda, qui est également membre de Stanford Bio-X, a déclaré que la technique pourrait permettre aux médecins de surveiller comment une tumeur autrement invisible sous la peau réagit au traitement, ou pour comprendre comment des cellules individuelles se libèrent d'une tumeur et se déplacent vers des sites distants.

Vers l'or

Il existe une technique pour regarder dans un tissu vivant plusieurs millimètres sous la peau, révélant un paysage de cellules, tissus et vaisseaux. Mais cette technique, appelée tomographie par cohérence optique, ou OCT, n'est pas assez sensible ou spécifique pour voir les cellules individuelles ou les molécules que les cellules produisent, c'est ce qui intéresse de la Zerda.

Un problème majeur a été de trouver un moyen de différencier les cellules ou les tissus; par exemple, repérer les cellules cancéreuses qui commencent à se multiplier dans un tissu globalement sain. Dans d'autres formes de microscopie, les scientifiques ont créé des balises qui se fixent sur des molécules ou des structures d'intérêt pour éclairer ces structures et fournir une vue détaillée de leur emplacement dans la cellule ou le corps.

Aucune balise de ce type n'existait pour l'OCT, bien que de la Zerda savait que de minuscules particules appelées nanotiges d'or possédaient certaines des propriétés qu'il recherchait. Le problème était que les nanotiges disponibles dans le commerce ne produisaient pas assez de signal pour être détectées dans un tissu.

L'équipe avait besoin de nanotiges, mais des gros. Les nanotiges sont analogues aux tuyaux d'orgue, a déclaré l'étudiant diplômé Elliott SoRelle, parce que les tuyaux plus longs vibrent à des fréquences plus basses, créer une profondeur, faible son. De même, des nanotiges plus longues vibrent à des fréquences plus basses, ou longueurs d'onde, de la lumière. Ces vibrations dispersent la lumière, que le microscope détecte.

Si tous les autres tissus vibrent dans un bruit blanc de fréquences plus élevées, des nanotiges plus longues se démarqueraient comme des notes d'orgue graves au milieu d'une salle de babillage.

Le défi de SoRelle était de fabriquer des nanotiges plus longues et non toxiques, stable et très lumineux, ce qui s'est avéré être beaucoup demander. « Mon parcours était la biochimie, et cela s'est avéré être un problème de science des matériaux et de chimie de surface, " dit SoRelle, qui était co-premier auteur de l'article. Il peut désormais fabriquer des nanotiges non toxiques de différentes tailles qui vibrent toutes à des fréquences uniques et identifiables.

Éliminer le bruit

Le prochain défi consistait à filtrer la fréquence des nanotiges des tissus environnants.

Pour faire ça, Orly Liba, étudiante diplômée en génie électrique et membre Bowes Bio-X, a développé des algorithmes informatiques qui pourraient séparer les fréquences de la lumière diffusée par des nanotiges de différentes longueurs et les différencier des tissus environnants.

Avec les grandes nanotiges de SoRelle et les algorithmes sensibles de Liba, de la Zerda et son équipe avaient résolu le problème initial de la détection de structures spécifiques dans des images tridimensionnelles de tissus vivants. Le résultat tridimensionnel, les images haute résolution étaient si volumineuses - de l'ordre du gigapixel - que l'équipe a dû développer des algorithmes supplémentaires pour analyser et stocker de telles images volumineuses.

L'équipe a testé sa technologie dans l'oreille d'une souris vivante, où ils ont pu observer les nanotiges être absorbées dans le système lymphatique et transportées à travers un réseau de valves. Ils ont pu distinguer deux nanotiges de tailles différentes qui résonnaient à des longueurs d'onde différentes dans des vaisseaux lymphatiques séparés, et ils pouvaient faire la distinction entre ces deux nanotiges dans le système lymphatique et les vaisseaux sanguins. Dans une étude, ils pouvaient observer les valves individuelles dans les vaisseaux lymphatiques s'ouvrir et se fermer pour contrôler le flux de liquide dans une seule direction.

"Personne n'a montré ce niveau de détail auparavant, " dit Liba, qui était co-premier auteur de l'article.

Objectif impossible

Cette imagerie détaillée était l'objectif initial de de la Zerda lorsqu'il a commencé son laboratoire en 2012, bien qu'on lui ait souvent dit que ce serait impossible. "Je suis dans un petit département, mais avec une faculté très accomplie, " at-il dit. " Un membre du corps professoral m'a raconté sa propre histoire de prendre de gros risques et cela m'a encouragé. J'ai pensé que ce serait vraiment amusant de voir si nous pouvons le faire fonctionner et de voir les cellules se parler en temps réel."

Son pari a démarré principalement avec une subvention de démarrage de Stanford Bio-X, qui soutient la recherche interdisciplinaire à un stade précoce. "Cette subvention nous a permis de prendre un gros risque dans une direction qui n'était absolument pas prouvée, " a déclaré de la Zerda.

Ayant montré que les nanotiges d'or peuvent être vues dans les tissus vivants, la prochaine étape consiste à montrer que ces nanotiges peuvent se lier à des types spécifiques de cellules, comme le cancer de la peau ou des vaisseaux anormaux dans la dégénérescence maculaire à un stade précoce. Puis, la technique pourrait être utilisée pour en savoir plus sur la progression de ces maladies au niveau moléculaire et également évaluer les traitements chez des patients individuels, quelque chose qui n'était pas possible auparavant.