La lumière émise par les nanoparticules injectées dans les coussinets adipeux mammaires d'une souris vivante est imagée à travers plusieurs millimètres de tissu. Cette séquence montre comment la lumière émise par ces particules excitées par laser peut être imagée à travers les tissus profonds deux heures après l'injection (à gauche), quatre heures après l'injection (centre), et six heures après l'injection (à droite). Crédit :UC San Francisco
Une équipe de recherche a démontré comment des nanoparticules émettrices de lumière, développé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, peut être utilisé pour voir en profondeur dans les tissus vivants.
Les nanoparticules spécialement conçues peuvent être excitées par une lumière laser de très faible puissance à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge considérées comme sûres pour le corps humain. Ils absorbent cette lumière puis émettent de la lumière visible qui peut être mesurée par un équipement d'imagerie standard.
Le développement et l'application d'imagerie biologique de ces nanoparticules sont détaillés dans une étude publiée en ligne le 6 août dans Communication Nature .
Les chercheurs espèrent développer davantage ces nanoparticules dites de conversion ascendante alliées, ou aUCNPs, afin qu'ils puissent s'attacher à des composants spécifiques des cellules pour servir dans un système d'imagerie avancé pour éclairer même des cellules cancéreuses uniques, par exemple. Un tel système peut à terme guider des chirurgies de haute précision et des radiothérapies, et aider à effacer même de très petites traces de cancer.
"Avec un laser encore plus faible qu'un pointeur laser vert standard, nous pouvons imager profondément dans les tissus, " a déclaré Bruce Cohen, qui fait partie d'une équipe scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui travaille avec des chercheurs de l'UC San Francisco pour adapter les nanoparticules à des usages médicaux. La fonderie moléculaire est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science spécialisée dans la recherche en nanosciences. Elle est accessible aux scientifiques invités de partout dans le pays et dans le monde.
Cohen a noté que certains systèmes d'imagerie existants utilisent une lumière laser de plus grande puissance qui risque d'endommager les cellules.
« Le défi est : Comment imager des systèmes vivants à haute sensibilité sans les endommager ? ", a-t-il déclaré. La puissance laser nécessaire pour les aUCNP est des millions de fois inférieure à la puissance nécessaire pour les sondes conventionnelles d'imagerie dans le proche infrarouge.
Dans cette dernière étude, les chercheurs ont démontré comment les aUCNPs peuvent être imagés dans des tissus de souris vivants à plusieurs millimètres de profondeur. Ils étaient excités avec des lasers suffisamment faibles pour ne causer aucun dommage.
Les chercheurs ont injecté des nanoparticules dans les coussinets adipeux mammaires de souris et ont enregistré des images de la lumière émise par les particules, qui n'a semblé présenter aucune toxicité pour les cellules.
Des tests supplémentaires seront nécessaires pour savoir si les aUCNP produits au Berkeley Lab peuvent être injectés en toute sécurité chez l'homme, et pour tester les revêtements que les scientifiques de Berkeley Lab conçoivent pour se lier spécifiquement aux cellules cancéreuses.
Dr Mekhail Anwar, un radio-oncologue et professeur assistant à l'UC San Francisco qui a participé à la dernière étude, ont noté qu'il existe de nombreuses techniques d'imagerie médicale pour localiser les cancers - des mammographies aux IRM et aux tomodensitogrammes - mais ces techniques peuvent manquer de détails précis à très petite échelle.
"Nous avons vraiment besoin de savoir exactement où se trouve chaque cellule cancéreuse, " dit Anwar, un utilisateur de Foundry qui collabore avec des scientifiques de Molecular Foundry dans ses recherches. « Habituellement, nous disons que vous avez de la chance lorsque nous l'attrapons tôt et que le cancer ne mesure qu'un centimètre environ, soit environ 1 milliard de cellules. Mais où se cachent les plus petits groupes de cellules ? »
À gauche, une image au microscope électronique à transmission à haute résolution d'une nanoparticule mesurant 8 nanomètres de diamètre, avec une coque de 4 nanomètres d'épaisseur. La barre d'échelle est de 5 nanomètres. À droite, une image au microscope électronique à transmission à balayage montrant une collection de nanoparticules de 8 nanomètres avec des coquilles de 8 nanomètres (la barre d'échelle est de 25 nanomètres). Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)
Les futurs travaux de la Molecular Foundry permettront, espérons-le, d'améliorer les techniques d'imagerie du cancer à l'aide des aUCNPs, il a dit, et les chercheurs développent un capteur d'imagerie à intégrer avec des nanoparticules qui pourraient être attachées à du matériel chirurgical et même à des gants chirurgicaux pour localiser les points chauds du cancer pendant les interventions chirurgicales.
Une percée dans le développement des UCNP par le laboratoire a été de trouver des moyens d'augmenter leur efficacité en émettant la lumière absorbée à des énergies plus élevées, dit Emory Chan, un scientifique de la Molecular Foundry qui a également participé à la dernière étude.
Depuis des décennies, la communauté des chercheurs avait cru que la meilleure façon de produire ces matériaux dits de conversion ascendante était de les implanter ou de les "doper" avec une faible concentration de métaux appelés lanthanides. Trop de ces métaux, les chercheurs avaient cru, rendrait la lumière qu'ils émettent moins brillante avec plus de ces métaux ajoutés.
Mais les expériences menées par les chercheurs de Molecular Foundry Bining "Bella" Tian et Angel Fernandez-Bravo, qui ont fabriqué des UCNP riches en lanthanides et mesuré leurs propriétés, a bouleversé cette compréhension dominante.
Les études de UCNP individuelles se sont avérées particulièrement utiles en montrant que l'erbium, un lanthanide dont on pensait auparavant qu'il ne jouerait qu'un rôle dans l'émission lumineuse, peut aussi directement absorber la lumière et libérer un autre lanthanide, ytterbium, pour absorber plus de lumière. Emory Chan, un scientifique de la Molecular Foundry qui a également participé à la dernière étude, a décrit le rôle multitâche nouvellement découvert d'erbium dans les UCNP comme une « triple menace ».
Les UCNP utilisés dans la dernière étude mesurent environ 12 à 15 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre, suffisamment petits pour leur permettre de pénétrer dans les tissus. "Leurs coquilles poussent comme un oignon, une couche à la fois, " dit Chan.
Jim Schuck, un participant à l'étude et ancien scientifique du Berkeley Lab maintenant à l'Université de Columbia, a noté que la dernière étude s'appuie sur un effort de dix ans à la Molecular Foundry pour comprendre, refonte, et trouver de nouvelles applications pour les UCNP.
"Ce nouveau paradigme dans la conception de l'UCNP, ce qui conduit à des particules beaucoup plus brillantes, est un véritable changeur de jeu pour toutes les applications d'imagerie mono-UCNP, " il a dit.
Les chercheurs de la Molecular Foundry travailleront sur des moyens d'automatiser la fabrication des nanoparticules avec des robots, et de les enrober de marqueurs qui se lient sélectivement aux cellules cancéreuses.
Cohen a déclaré que le travail de collaboration avec l'UCSF a ouvert de nouvelles voies d'exploration pour les UCNP, et il s'attend à ce que l'effort de recherche augmente.
"Nous n'aurions jamais pensé à les utiliser pour l'imagerie pendant les chirurgies, ", a-t-il déclaré. "Travailler avec des chercheurs comme Mekhail ouvre cette merveilleuse pollinisation croisée de différents domaines et de différentes idées."
Anwar a dit, "Nous sommes vraiment reconnaissants d'avoir accès aux connaissances et au large éventail d'instruments" à la fonderie moléculaire du laboratoire.
