L'imagerie de très petits matériaux nécessite non seulement une grande habileté de la part du microscopiste, mais aussi de grands instruments et techniques. Pour un regard microscopique raffiné sur les matériaux biologiques, les défis comprennent l'obtention d'une image exempte de « bruit, " les interférences qui peuvent être causées par un certain nombre d'éléments, y compris la zone entourant un élément. Étiquettes, colorants, ou les taches qui sont ajoutées afin de voir l'élément plus clairement peuvent également présenter des problèmes car elles peuvent affecter l'élément à numériser de manière inattendue, endommageant ou même tuant le matériel biologique.

L'examen des microtubules est un exemple intéressant. La structure tubulaire creuse sert de colonne vertébrale aux cellules et aide à transporter les matériaux dans la cellule. Des microtubules défectueux ont été associés à diverses maladies, notamment le cancer et la maladie d'Alzheimer.

Comprendre le fonctionnement des microtubules pourrait être une étape importante dans la compréhension de la progression de la maladie. Cependant, étudier un seul microtubule dynamique, qui mesure 24 nanomètres de diamètre, et jusqu'à 10 microns de longueur, n'est pas une tâche facile.

Les chercheurs du Quantitative Light Imaging Laboratory de l'Institut Beckman pour la science et la technologie avancées de l'Université de l'Illinois ont pu utiliser la microscopie spatiale à interférence lumineuse (SLIM) sans marquage et le traitement informatique afin d'imager les microtubules dans un essai. L'étude, "Imagerie sans étiquette de la dynamique des microtubules uniques à l'aide de la microscopie spatiale à interférence lumineuse, " a été récemment publié dans ACS Nano .

Être capable de voir les microtubules sans utiliser de colorants ou de taches est une contribution majeure.

"L'aspect sans étiquette est la principale avancée à mon avis, " a déclaré Gabriel Popescu, professeur agrégé de génie électrique et informatique, et membre du Bioimaging Science and Technology Group de Beckman. Popescu est l'auteur principal de l'étude.

« Il y a eu d'autres efforts pour rendre ce produit sans étiquette, c'est une classe de défis très importante. Les techniques actuelles donnent des champs de vision plus petits, et le contraste de l'image n'est pas aussi bon."

En mesurant la quantité de lumière retardée à travers l'échantillon à tous les points du champ de vision, les chercheurs sont en mesure de trouver la carte de longueur de chemin optique pour l'échantillon. Cette longueur de chemin optique - ou information de phase - se rapporte à l'indice de réfraction et à l'épaisseur d'un échantillon, permettant des études détaillées sur la structure et la dynamique des cellules.

"L'instrument fournit un flou de l'image qui est beaucoup plus grand que la taille du microtubule, " explique Popescu. " C'est donc comme si cela étalait les valeurs de ce retard de phase. Mais puisque nous avons très bien notre système, nous sommes en mesure de le sauvegarder et de proposer une valeur d'indice efficace pour le microtubule, qui est correct."

Le traitement numérique utilisé fournit la sensibilité non seulement pour voir les tubules mais est également utilisé pour mesurer la diffusion de la lumière.

"Un point clé de la physique est qu'une fois que vous connaissez à la fois l'intensité et la phase de la lumière, alors vous pouvez traiter numériquement cette information et propager virtuellement la lumière n'importe où dans l'espace, y compris dans un plan éloigné du microtubule, pour étudier la lumière diffusée, " a déclaré Popescu.

Les efforts précédents d'imagerie des structures minuscules ont utilisé l'immunofluorescence, injecter des anticorps dans des colorants fluorescents afin de voir clairement la cellule pendant qu'elle fonctionne. Cependant, la fluorescence peut affecter la fonction cellulaire et la durée pendant laquelle la cellule peut être imagée.

"Nous les avons imagés pendant une très longue période de temps, pas deux ou trois minutes, mais plutôt huit heures, " a déclaré Mikhaïl Kandel, un doctorant en génie électrique et informatique et auteur principal de l'étude. "Les gens s'intéressent aux taux métaboliques des protéines qui marchent sur les microtubules et nous avons montré comment vous pouvez observer la décélération de ces protéines, ce qui équivaut à surveiller la consommation de leur source de carburant.

"Vous pourriez potentiellement comprendre la consommation d'ATP et les caractéristiques de motilité des protéines, qui sont très intéressants."

Les chercheurs Beckman ont travaillé avec Paul Selvin, professeur de physique.

"Cela vient de sortir d'une discussion avec le groupe de Paul Selvin, qui étudient depuis longtemps les microtubules en utilisant les méthodes traditionnelles de fluorescence, " a déclaré Popescu. " Mikhail est entré en contact avec ses étudiants et ils ont dit, essayons. Les voir avec d'autres types de fluorescence est une amélioration majeure car vous pouvez les imager pour toujours."

"Mon groupe s'intéresse à la façon dont les protéines se déplacent sur et autour des microtubules, " dit Selvin, l'un des auteurs de l'étude. « Cette nouvelle technique nous permet non seulement d'avoir une idée du fonctionnement des cellules dans le temps, mais soulève également la possibilité de l'imagerie in vivo des cellules."

SLIM est un produit fabriqué commercialement qui peut s'adapter à n'importe quel microscope, disent les chercheurs. Cela permet aux biologistes d'utiliser d'autres techniques de microscopie, y compris la fluorescence, en plus de SLIM. Le produit SLIM est disponible via Phi Optics, une entreprise fondée par Popescu.

"L'un des plus grands défis de l'interférométrie est la sensibilité, qui est fortement affecté par le bruit ambiant, par exemple, vibrations ou fluctuations de l'air. Mais avec la géométrie stable particulière utilisée dans SLIM, nous pouvons en fait atteindre une sensibilité incroyable en fractions de nanomètres, " a déclaré Popescu.

Les chercheurs prévoient de repousser les limites des cellules d'imagerie, espérons imager les microtubules dans les cellules vivantes.

"Si nous parvenons à pousser ça dans une cellule vivante, ce serait une vraie percée, " a déclaré Popescu. "Nous prévoyons de grands défis en raison de l'arrière-plan qui existe dans les cellules. Encouragé par ces résultats, nous pensons qu'un jour nous pourrons peut-être avoir une telle sensibilité pour voir des déphasages à partir de molécules individuelles.

"Nous n'en sommes pas encore là, mais on peut rêver."