Les capteurs fluorescents, qui peuvent être utilisés pour étiqueter et imager une grande variété de molécules, offrent un aperçu unique à l'intérieur des cellules vivantes. Cependant, ils ne peuvent généralement être utilisés que dans des cellules cultivées dans une boîte de laboratoire ou dans des tissus proches de la surface du corps, car leur signal est perdu lorsqu'ils sont implantés trop profondément.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant trouvé un moyen de surmonter cette limitation. En utilisant une nouvelle technique photonique qu'ils ont développée pour exciter n'importe quel capteur fluorescent, ils ont pu améliorer considérablement le signal fluorescent. Avec cette approche, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient implanter des capteurs jusqu'à 5,5 cm de profondeur dans les tissus tout en obtenant un signal fort.

Selon les chercheurs, ce type de technologie pourrait permettre l'utilisation de capteurs fluorescents pour suivre des molécules spécifiques à l'intérieur du cerveau ou d'autres tissus profonds de l'organisme, à des fins de diagnostic médical ou de surveillance des effets des médicaments.

"Si vous disposez d'un capteur fluorescent capable de sonder des informations biochimiques dans une culture cellulaire ou dans de fines couches de tissus, cette technologie vous permet de traduire tous ces colorants et sondes fluorescents en tissus épais", déclare Volodymyr Koman, chercheur au MIT et un des auteurs principaux de la nouvelle étude.

Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 est également l'un des principaux auteurs de l'article, qui paraît aujourd'hui dans Nature Nanotechnology . Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT, est l'auteur principal de l'étude.

Fluorescence améliorée

Les scientifiques utilisent de nombreux types de capteurs fluorescents, notamment des points quantiques, des nanotubes de carbone et des protéines fluorescentes, pour marquer les molécules à l'intérieur des cellules. La fluorescence de ces capteurs peut être vue en faisant briller une lumière laser dessus. Cependant, cela ne fonctionne pas dans les tissus épais et denses, ou au plus profond des tissus, car les tissus eux-mêmes émettent également une lumière fluorescente. Cette lumière, appelée autofluorescence, noie le signal provenant du capteur.

"Tous les tissus sont autofluorescents, et cela devient un facteur limitant", explique Koman. "Au fur et à mesure que le signal du capteur devient de plus en plus faible, il est dépassé par l'autofluorescence des tissus."

Pour surmonter cette limitation, l'équipe du MIT a trouvé un moyen de moduler la fréquence de la lumière fluorescente émise par le capteur afin qu'elle puisse être plus facilement distinguée de l'autofluorescence tissulaire. Leur technique, qu'ils appellent le filtrage de fréquence induit par la longueur d'onde (WIFF), utilise trois lasers pour créer un faisceau laser avec une longueur d'onde oscillante.

Lorsque ce faisceau oscillant est projeté sur le capteur, il amène la fluorescence émise par le capteur à doubler sa fréquence. Cela permet de distinguer facilement le signal fluorescent de l'autofluorescence de fond. Grâce à ce système, les chercheurs ont pu multiplier par plus de 50 le rapport signal/bruit des capteurs.

Une application possible pour ce type de détection est de surveiller l'efficacité des médicaments de chimiothérapie. Pour démontrer ce potentiel, les chercheurs se sont concentrés sur le glioblastome, un type agressif de cancer du cerveau. Les patients atteints de ce type de cancer subissent généralement une intervention chirurgicale pour retirer autant de tumeur que possible, puis reçoivent le médicament chimiothérapeutique témozolomide (TMZ) pour tenter d'éliminer les cellules cancéreuses restantes.

Ce médicament peut avoir des effets secondaires graves, et il ne fonctionne pas pour tous les patients, il serait donc utile d'avoir un moyen de contrôler facilement s'il fonctionne ou non, dit Strano.

"Nous travaillons sur une technologie pour fabriquer de petits capteurs qui pourraient être implantés près de la tumeur elle-même, ce qui peut donner une indication de la quantité de médicament qui arrive à la tumeur et s'il est métabolisé. Vous pouvez placer un capteur près de la tumeur et vérifier à partir de à l'extérieur du corps l'efficacité du médicament dans l'environnement réel de la tumeur », dit-il.

Lorsque le témozolomide pénètre dans l'organisme, il se décompose en composés plus petits, dont un appelé AIC. L'équipe du MIT a conçu un capteur capable de détecter l'AIC et a montré qu'elle pouvait l'implanter jusqu'à 5,5 centimètres dans le cerveau d'un animal. Ils ont pu lire le signal du capteur même à travers le crâne de l'animal.

Ces capteurs pourraient également être conçus pour détecter les signatures moléculaires de la mort des cellules tumorales, telles que les espèces d'oxygène de réaction.

"N'importe quelle longueur d'onde"

En plus de détecter l'activité TMZ, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient utiliser WIFF pour améliorer le signal de divers autres capteurs, y compris des capteurs à base de nanotubes de carbone que le laboratoire de Strano a précédemment développés pour détecter le peroxyde d'hydrogène, la riboflavine et l'acide ascorbique.

"La technique fonctionne à n'importe quelle longueur d'onde et peut être utilisée pour n'importe quel capteur fluorescent", explique Strano. "Parce que vous avez tellement plus de signal maintenant, vous pouvez implanter un capteur à des profondeurs dans les tissus qui n'étaient pas possibles auparavant."

Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé trois lasers ensemble pour créer le faisceau laser oscillant, mais dans les travaux futurs, ils espèrent utiliser un laser accordable pour créer le signal et améliorer encore la technique. Cela devrait devenir plus faisable à mesure que le prix des lasers accordables diminue et qu'ils deviennent plus rapides, selon les chercheurs.

Pour aider à rendre les capteurs fluorescents plus faciles à utiliser chez les patients humains, les chercheurs travaillent sur des capteurs qui sont biologiquement résorbables, de sorte qu'ils n'auraient pas besoin d'être retirés chirurgicalement. + Explorer plus loin

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