La nanospectroscopie infrarouge synchrotron a été utilisée pour la première fois pour mesurer les changements biomoléculaires induits par un médicament (amiodarone) dans les cellules humaines (macrophages) et localisés à l'échelle de 100 nanomètres, soit deux ordres de grandeur plus petits que la longueur d'onde IR utilisée comme sonde.
Cet objectif a été atteint sur la ligne de lumière (B22) de l'imagerie infrarouge multimode et micro-spectroscopie (MI22) de Diamond Light Source, l'installation nationale de synchrotron du Royaume-Uni.
Il s'agit d'un résultat scientifique majeur dans les sciences de la vie partagé par une équipe internationale, en tant que faisceau de collaboration entre les chercheurs de la School of Cancer and Pharmaceutical Science du Kings College de Londres, du Département de technologie pharmaceutique et de bio-pharmacie de l'Université de Vienne, et les scientifiques de la ligne de lumière MIRIAM B22 à Diamond.
Leur article récent, maintenant publié dans Analytical Chemistry, est intitulé « Synchrotron photothermal IR Nanospectroscopy of macrophages drug -uced phospholipidosis » 10.1021 / acs.analchem.9b05759 l'application de la microscopie à force atomique infrarouge améliorée par résonance (RE AFM IR) par rayonnement synchrotron, pour interroger la matière biologique au niveau subcellulaire, dans ce cas un modèle cellulaire de phospholipidose induite par les médicaments (DIPL).
Au lieu de la méthode traditionnelle pour évaluer la DIPL – c'est-à-dire la confirmation visuelle par microscopie électronique des corps lipidiques ou l'utilisation de la technique de marquage par fluorescence – ils ont utilisé un éclairage infrarouge à large bande par synchrotron Diamond avec détection AFM pour atteindre à la fois la spécificité moléculaire et la résolution spatiale améliorée nécessaires pour localiser les changements métaboliques au sein de la cellule.
Le Dr Andrew Chan du King's College de Londres, en tant que chercheur principal, explique: «L'étude modèle basée sur les macrophages J774A-1 exposés / non exposés à l'amiodarone a clairement démontré que RE AFM IR avec rayonnement synchrotron est capable d'extraire des informations moléculaires locales à partir de petits organites au sein d'un cellule unique sans étiquette. «
Ceci est remarquable car la détermination de la teneur en lipides dans les vacuoles est cruciale dans l'étude de la DIPL. Cela aura des impacts importants sur le développement de médicaments inhalés, le DIPL étant l'une des principales indications de la réaction indésirable du corps aux particules étrangères. «
Dr Andrew Chan, chercheur principal, King's College London
Les cartes topographiques AFM ont montré que les cellules traitées à l'amiodarone avaient un cytoplasme agrandi et des régions minces de vésicules effondrées. Les cartes infrarouges (IR) de la cellule entière ont été analysées en exploitant le signal global IR en fonction de l'épaisseur de la cellule dérivée de l'AFM, également sur une résolution latérale d'environ 100 nm. L'attribution des bandes vibratoires des nanospectres était également possible: tous les pics caractéristiques des lipides, des protéines et de l'ADN / ARN ont été identifiés.
De plus, le rapport de bande et l'analyse chimiométrique non supervisée des nanospectres Synchrotron IR des régions nucléaires et périnucléaires des cellules ont montré que le cytoplasme des cellules traitées à l'amiodarone avait des intensités de bande significativement élevées dans les régions correspondant aux groupes phosphate et carbonyle, indiquant la détection de phospholipides riches en corps d'inclusion typiques pour les cellules avec DIPL.
Principle Beamline Scientist à la ligne de lumière MIRIAM à Diamond et l'un des auteurs de l'ouvrage, le Dr Gianfelice Cinque commente: « Notre expérience est – à ma connaissance – une première mondiale par Synchrotron photothermique IR Nano spectroscopy en sciences de la vie, et a prouvé que la spectroscopie photothermique IR Nano peut numériser avec succès à travers les cellules de mammifères et révéler l'empreinte moléculaire interne via le spectre infrarouge complet, grâce à la couverture large bande Synchrotron IR. «
Il a expliqué que le système de modèle cellulaire et le traitement médicamenteux illustraient la capacité de la méthode en colocalisant spatialement la morphologie et la biochimie à l'échelle subcellulaire. Ce qui était remarquable, c'est que la qualité des nanospectres obtenue était telle que les caractéristiques vibratoires typiques observées par microscopie infrarouge sur les cellules biologiques étaient clairement capturées, mais pour la première fois à l'échelle nanométrique, fournissant des informations biochimiques subcellulaires sans étiquette.
Il ajoute: « Cette réalisation a été la conclusion d'un long effort expérimental par l'équipe IR de la ligne de lumière B22 de Diamond – en particulier le travail expert du Dr Mark Frogley et du Dr Ioannis Lekkas. »
Il a poursuivi en expliquant que l'excellence de la ligne de faisceau MIRIAM (B22) dans la spectroscopie Synchrotron IR Nano – c'est-à-dire la spectroscopie Synchrotron RE-AFM-IR – offre un aperçu chimique et morphologique unique à une longueur d'onde inférieure ou à une résolution de 100 nm dans une variété de recherches réelles. en particulier dans la matière molle, comme l'effet microplastique dans les tissus vivants, les phénomènes de surface antimicrobienne, les microfossiles et la biogéologie à l'échelle submicronique, l'analyse microélectronique organique, les matériaux microcomposites et les mésostructures.
Une plus grande capacité de recherche sera bientôt offerte sur la ligne de lumière MIRIAM B22, car une nouvelle station d'extrémité nanoIR est attendue à partir de la mi-2021. Au-delà de l'expertise actuelle en nanospectroscopie photothermique Synchrotron IR, la mise à niveau permettra de nouvelles méthodes (par exemple AFM IR en mode de prélèvement), et les compléter de manière cruciale avec la microscopie optique à balayage à diffusion IR (s-SNOM), poussant la résolution spatiale encore plus loin à l'échelle du nanomètre 10s.
La source:
Référence de la revue:
Chan, K. L. A., et al. (2020) Synchrotron Photothermal Infrared Nanospectroscopy of Drug-Induced Phospholipidosis in Macrophages. American Chemical Society. doi.org/10.1021/acs.analchem.9b05759.
