L'imagerie par ultrasons est utilisée dans le monde entier pour aider à visualiser les bébés en développement et à diagnostiquer les maladies. Les ondes sonores rebondissent sur les tissus, révélant leurs différentes densités et formes. La prochaine étape de la technologie des ultrasons consiste à imager non seulement l'anatomie, mais des cellules et molécules spécifiques plus profondément dans le corps, tels que ceux associés aux tumeurs ou aux bactéries dans notre intestin.

Une nouvelle étude de Caltech décrit comment les techniques d'ingénierie des protéines pourraient aider à atteindre cette étape. Les chercheurs ont conçu des nanostructures à coque protéique appelées vésicules de gaz, qui reflètent les ondes sonores, pour présenter de nouvelles propriétés utiles pour les technologies à ultrasons. À l'avenir, ces vésicules de gaz pourraient être administrées à un patient pour visualiser les tissus d'intérêt. Il a été démontré que les vésicules de gaz modifiées :émettent des signaux plus distincts, les rendre plus faciles à imager; cibler des types de cellules spécifiques ; et aider à créer des images échographiques en couleur.

"C'est un peu comme l'ingénierie avec les Legos moléculaires, " déclare Mikhail Shapiro, professeur adjoint de génie chimique et chercheur principal du patrimoine, qui est l'auteur principal d'un nouvel article sur la recherche publié dans le numéro de ce mois-ci de la revue ACS Nano et figurait sur la couverture du journal. « Nous pouvons échanger différents « morceaux » de protéines à la surface des vésicules de gaz pour modifier leurs propriétés de ciblage et visualiser plusieurs molécules de différentes couleurs. »

"Aujourd'hui, l'échographie est essentiellement anatomique, " dit Anupama Lakshmanan, un étudiant diplômé du laboratoire de Shapiro et auteur principal de l'étude. "Nous voulons le ramener au niveau moléculaire et cellulaire."

En 2014, Shapiro a découvert pour la première fois l'utilisation potentielle des vésicules de gaz dans l'imagerie par ultrasons. Ces structures remplies de gaz sont naturellement présentes dans les organismes unicellulaires aquatiques, comme Anabaena flos-aquae, une espèce de cyanobactérie qui forme des amas filamenteux de chaînes multicellulaires. Les vésicules de gaz aident les organismes à contrôler leur flottement et donc leur exposition au soleil à la surface de l'eau. Shapiro s'est rendu compte que les vésicules réfléchiraient facilement les ondes sonores lors de l'imagerie par ultrasons, et finalement démontré cela en utilisant des souris.

Dans les dernières recherches, Shapiro et son équipe ont entrepris de donner aux vésicules de gaz de nouvelles propriétés en créant la protéine C des vésicules de gaz, ou GvpC, une protéine naturellement présente à la surface des vésicules qui leur confère une résistance mécanique et les empêche de s'effondrer. La protéine peut être conçue pour avoir différentes tailles, avec des versions plus longues de la protéine produisant des nanostructures plus solides et plus rigides.

"Les protéines sont comme les tiges de charpente d'un fuselage d'avion. Vous les utilisez pour déterminer la mécanique de la structure." dit Shapiro.

Dans une expérience, les scientifiques ont retiré la protéine de renforcement des vésicules de gaz, puis ont administré les vésicules modifiées à des souris et ont effectué une imagerie par ultrasons. Par rapport aux vésicules normales, les vésicules modifiées vibraient davantage en réponse aux ondes sonores, et ainsi résonné avec des fréquences harmoniques. Des harmoniques sont créées lorsque les ondes sonores rebondissent, par exemple dans un violon, et forment de nouvelles vagues avec des fréquences doublées et triplées. Les harmoniques ne sont pas facilement créées dans les tissus naturels, faire ressortir les vésicules sur les images échographiques.

Dans une autre série d'expériences, les chercheurs ont démontré comment les vésicules de gaz pouvaient être fabriquées pour cibler certains tissus du corps. Ils ont génétiquement modifié les vésicules pour afficher diverses cibles cellulaires, comme une séquence d'acides aminés qui reconnaît les protéines appelées intégrines qui sont surproduites dans les cellules tumorales.

« Ajouter ces fonctionnalités aux vésicules de gaz, c'est comme accrocher une nouvelle pièce Lego ; c'est un système modulaire, " dit Shapiro.

L'équipe a également montré comment créer des images échographiques multicolores. Les images échographiques conventionnelles apparaissent en noir et blanc. Le groupe de Shapiro a créé une approche pour l'imagerie de trois types différents de vésicules de gaz en tant que "couleurs" distinctes en fonction de leur capacité différentielle à résister à l'effondrement sous pression. Les vésicules elles-mêmes n'apparaissent pas dans des couleurs différentes, mais on peut leur attribuer des couleurs en fonction de leurs différentes propriétés.

Pour le démontrer, l'équipe a fabriqué trois versions différentes des vésicules avec des forces variables de la protéine GvpC. Ils ont ensuite augmenté les pressions ultrasonores, provoquant l'effondrement successif des populations variantes une par une. Au fur et à mesure que chaque population s'effondrait, le signal ultrasonore global diminue proportionnellement à la quantité de ce variant dans l'échantillon, et ce changement de signal a ensuite été mappé sur une couleur spécifique. À l'avenir, si chaque variante de population ciblait un type cellulaire spécifique, les chercheurs pourraient visualiser les cellules en plusieurs couleurs.

"Vous pourrez peut-être voir des cellules tumorales par rapport aux cellules immunitaires attaquer la tumeur, et ainsi suivre l'évolution d'un traitement médical, " dit Shapiro.