Des chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université Washington de St. Louis ont mis au point une nouvelle technique qui permettra d'obtenir une imagerie à plus haute résolution de très petits objets comme les neurones. La technique, qui améliore une méthode existante appelée microscopie à expansion, est décrite dans un nouvel article publié dans la revue Nano Letters. .
La plupart des gens connaissent les microscopes qui utilisent des lentilles pour faire paraître un objet plus grand et plus facile à voir à l’œil humain. Mais la microscopie à expansion (ExM) fonctionne pratiquement de manière opposée :en agrandissant l’objet lui-même. Les scientifiques recouvrent l’échantillon (une cellule, par exemple) de minuscules marqueurs électroluminescents appelés fluorophores, puis intègrent l’échantillon dans un gel qui se dilate au contact de l’eau. À mesure que l'échantillon s'agrandit, les étiquettes fluorescentes tracent les contours d'éléments trop petits pour être vus, comme les fines branches, ou dendrites, qui poussent à partir des cellules cérébrales.
Mais la microscopie à expansion présente un inconvénient majeur. Le signal lumineux émis par les fluorophores classiques perd une grande partie de son intensité (plus de 50%) lors des étapes de préparation et d'expansion.
"Lorsque vous agrandissez les choses, ce n'est pas nécessairement bon, car si vous ne modifiez pas la quantité de signal déjà présent, ce signal s'affaiblit", a déclaré Barani Raman, professeur de génie biomédical.
Raman et Srikanth Singamaneni, professeur Lilyan &E. Lisle Hughes au Département de génie mécanique et de science des matériaux, ont résolu ce problème en utilisant des marqueurs fluorescents ultra-lumineux appelés fluors plasmoniques (PF). Singamaneni a développé les PF pour d'autres applications en 2020.
"C'est un bel exemple de deux personnes avec des expertises complètement différentes ayant une conversation fortuite et disant :"D'accord, ce problème est ici dans un domaine, mais la solution est là dans un autre domaine", a déclaré Raman. L'équipe a baptisé sa nouvelle technique "microscopie à expansion améliorée par plasmon" ou p-ExM.
Le fluor plasmonique est construit à partir d’une particule centrale d’or enveloppée dans une coque d’argent, qui est ensuite recouverte d’une couche d’autres matériaux, notamment des fluorophores conventionnels. La structure est conçue pour protéger les fluorophores des produits chimiques agressifs utilisés dans le processus et pour rendre le signal lumineux des fluorophores beaucoup plus brillant. La technique aidera les chercheurs à cartographier les réseaux neuronaux ou les connexions entre les neurones.
"La nanoparticule métallique sert d'antenne, ce qui signifie qu'elle est capable d'attirer plus de lumière vers les fluorophores", a expliqué Singamaneni. L’interaction entre la nanoparticule d’or-argent et les fluorophores amène également les fluorophores à émettre plus de photons qu’ils ne le feraient normalement. En conséquence, le fluor plasmonique est près de quatre ordres de grandeur plus brillant que ne le seraient les marqueurs fluorescents seuls. Les fluorures plasmoniques résolvent également le problème de dilution du signal car les marqueurs fluorescents sont directement attachés à la nanoparticule, de sorte qu'ils ne se dispersent pas lorsque l'échantillon se dilate.
Pour démontrer le potentiel de la microscopie à expansion améliorée par plasmon, les chercheurs l'ont utilisée pour étudier un échantillon de neurones de la région de l'hippocampe du cerveau. Dans certains cas, les branches naissantes du neurone, appelées neurites, sont trop proches les unes des autres pour être distinguées sans l'aide de techniques comme la microscopie à expansion.
"Lorsque deux neurites sont trop proches l'un de l'autre, nous ne pouvons pas les résoudre. Le logiciel pense qu'il ne s'agit que d'un seul neurite", a déclaré Singamaneni.
Après avoir marqué les cellules avec des fluorures plasmoniques ultra-lumineuses et élargi l'échantillon, l'équipe a pu compter le nombre de neurites, quantifier la superficie totale des neurites et mesurer la longueur de chaque neurite. Ils ont identifié 2,5 fois plus de points terminaux de neurites que ce qui était visible avant l'expansion de l'échantillon.
Lorsque l'équipe a comparé les performances du fluor plasmonique à celles des fluorophores eux-mêmes, ils ont constaté que le fluor plasmonique retenait environ 76 % du signal lumineux tandis que les fluorophores en retenaient moins de 16 %. Les résultats de l'équipe ont également montré que la microscopie à expansion améliorée par plasmons est compatible avec les protocoles de microscopie à expansion existants, ce qui signifie que les fluors plasmoniques peuvent être utilisés à la place des fluorophores conventionnels dans les études futures. Les PF peuvent également être créés à partir de n'importe quel fluorophore donné qui répond aux besoins des chercheurs.
Plus d'informations : Priya Rathi et al, Microscopie à expansion améliorée par plasmon, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c01256
Informations sur le journal : Lettres nano
Fourni par l'Université de Washington à St. Louis
