Des scientifiques de l'Université du Texas à Austin ont démontré une méthode pour créer des images tridimensionnelles de structures dans du matériel biologique dans des conditions naturelles à une résolution beaucoup plus élevée que les autres méthodes existantes. La méthode peut aider à faire la lumière sur la façon dont les cellules communiquent entre elles et fournir des informations importantes aux ingénieurs travaillant au développement d'organes artificiels tels que la peau ou le tissu cardiaque.

La recherche est décrite aujourd'hui dans la revue Communication Nature .

Les scientifiques, dirigé par le physicien Ernst-Ludwig Florin, utilisé leur méthode, appelée imagerie thermique du bruit, pour capturer des images à l'échelle nanométrique de réseaux de fibrilles de collagène, qui font partie du tissu conjonctif trouvé dans la peau des animaux. Un nanomètre est un milliardième de mètre ou environ un cent millième de la largeur d'un cheveu humain. L'examen des fibrilles de collagène à cette échelle a permis aux scientifiques de mesurer pour la première fois les propriétés clés qui affectent l'élasticité de la peau, quelque chose qui pourrait conduire à des conceptions améliorées pour la peau ou les tissus artificiels.

Prendre des images 3D nettes de structures à l'échelle nanométrique dans des échantillons biologiques est extrêmement difficile, en partie parce qu'ils ont tendance à être mous et baignés de liquide. Cela signifie que de minuscules fluctuations de chaleur provoquent des mouvements de va-et-vient des structures, un effet connu sous le nom de mouvement brownien.

Pour surmonter le flou que cela crée, d'autres techniques d'imagerie à super-résolution "réparent" souvent les échantillons biologiques en ajoutant des produits chimiques qui rigidifient diverses structures, dans quel cas, les matériaux perdent leurs propriétés mécaniques naturelles. Les scientifiques peuvent parfois surmonter le flou sans corriger les échantillons si, par exemple, ils se concentrent sur des structures rigides collées à une surface de verre, mais cela limite considérablement les types de structures et de configurations qu'ils peuvent étudier.

Florin et son équipe ont adopté une approche différente. Pour faire une image, ils ajoutent des nanosphères - des billes de taille nanométrique qui réfléchissent la lumière laser - à leurs échantillons biologiques dans des conditions naturelles, briller un laser sur l'échantillon et compiler des instantanés ultra-rapides des nanosphères vues au microscope optique.

Les scientifiques expliquent que la méthode, imagerie thermique du bruit, fonctionne quelque chose comme cette analogie :Imaginez que vous deviez prendre une image en trois dimensions d'une pièce dans l'obscurité totale. Si vous deviez lancer une balle en caoutchouc rougeoyante dans la pièce et utiliser une caméra pour collecter une série d'images à grande vitesse de la balle pendant qu'elle rebondit, vous verriez que lorsque la balle se déplace dans la pièce, il n'est pas capable de se déplacer à travers des objets solides tels que des tables et des chaises. Combinant des millions d'images prises si rapidement qu'elles ne sont pas floues, vous seriez capable de construire une image de l'endroit où il y a des objets (là où la balle ne pourrait pas aller) et de l'endroit où il n'y a pas d'objets (où elle pourrait aller).

En imagerie thermique du bruit, l'équivalent de la balle en caoutchouc est une nanosphère qui se déplace dans un échantillon par un mouvement brownien naturel - la même force indisciplinée qui a tourmenté d'autres méthodes de microscopie.

"Ce mouvement chaotique est une nuisance pour la plupart des techniques de microscopie car il rend tout flou, " dit Florin. " Nous l'avons tourné à notre avantage. Nous n'avons pas besoin de construire un mécanisme compliqué pour déplacer notre sonde. Nous nous asseyons et laissons la nature le faire pour nous."

Le concept original de la technique d'imagerie thermique du bruit a été publié et breveté en 2001, mais des défis techniques l'ont empêché de devenir un processus pleinement opérationnel jusqu'à présent.

L'outil a permis aux chercheurs de mesurer pour la première fois les propriétés mécaniques des fibrilles de collagène dans un réseau. Le collagène est un biopolymère qui forme des échafaudages pour les cellules de la peau et contribue à l'élasticité de la peau. Les scientifiques ne savent toujours pas comment l'architecture d'un réseau de collagène entraîne son élasticité, une question importante à laquelle il faut répondre pour la conception rationnelle de la peau artificielle.

"Si vous voulez construire une peau artificielle, il faut comprendre le fonctionnement des composants naturels, " dit Florin. " Vous pourriez alors mieux concevoir un réseau de collagène qui agit comme un échafaudage qui encourage les cellules à se développer de la bonne manière. "