L'imagerie métabolique est une méthode non invasive qui permet aux cliniciens et aux scientifiques d'étudier les cellules vivantes à l'aide de la lumière laser, ce qui peut les aider à évaluer la progression de la maladie et les réponses au traitement.
Mais la lumière se disperse lorsqu’elle pénètre dans les tissus biologiques, limitant ainsi sa profondeur de pénétration et entravant la résolution des images capturées.
Aujourd’hui, les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle technique qui fait plus que doubler la limite de profondeur habituelle de l’imagerie métabolique. Leur méthode augmente également les vitesses d’imagerie, produisant des images plus riches et plus détaillées.
Cette nouvelle technique ne nécessite pas de prétraitement des tissus, par exemple en les coupant ou en les colorant avec des colorants. Au lieu de cela, un laser spécialisé éclaire profondément les tissus, provoquant l’émission de lumière par certaines molécules intrinsèques des cellules et des tissus. Cela élimine le besoin de modifier le tissu, offrant ainsi une représentation plus naturelle et plus précise de sa structure et de sa fonction.
Les chercheurs y sont parvenus en personnalisant de manière adaptative la lumière laser pour les tissus profonds. En utilisant un façonneur de fibres récemment développé – ; un appareil qu'ils contrôlent en le pliant – ; ils peuvent régler la couleur et les impulsions de la lumière pour minimiser la diffusion et maximiser le signal à mesure que la lumière pénètre plus profondément dans les tissus. Cela leur permet de voir beaucoup plus loin dans les tissus vivants et de capturer des images plus claires.
Une plus grande profondeur de pénétration, des vitesses plus rapides et une résolution plus élevée rendent cette méthode particulièrement adaptée aux applications d'imagerie exigeantes telles que la recherche sur le cancer, l'ingénierie tissulaire, la découverte de médicaments et l'étude des réponses immunitaires.
« Ce travail montre une amélioration significative en termes de pénétration en profondeur pour l'imagerie métabolique sans étiquette. Il ouvre de nouvelles voies pour étudier et explorer la dynamique métabolique en profondeur dans les biosystèmes vivants », explique Sixian You, professeur adjoint au Département de génie électrique et d'informatique. (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique et auteur principal d'un article sur cette technique d'imagerie.
Elle est rejointe sur l'article par l'auteur principal Kunzan Liu, étudiant diplômé de l'EECS ; Tong Qiu, postdoctorant au MIT ; Honghao Cao, étudiant diplômé de l'EECS ; Fan Wang, professeur de sciences du cerveau et cognitives ; Roger Kamm, professeur émérite Cecil et Ida Green de génie biologique et mécanique ; Linda Griffith, professeure d'innovation pédagogique à l'École d'ingénierie du Département de génie biologique ; et d'autres collègues du MIT. La recherche paraîtra dans Avancées scientifiques.
Focalisé sur le laser
Cette nouvelle méthode entre dans la catégorie de l’imagerie sans étiquette, ce qui signifie que les tissus ne sont pas colorés au préalable. La coloration crée un contraste qui aide un biologiste clinicien à mieux voir les noyaux cellulaires et les protéines. Mais la coloration nécessite généralement que le biologiste sectionne et tranche l'échantillon, un processus qui tue souvent le tissu et rend impossible l'étude des processus dynamiques dans les cellules vivantes.
Dans les techniques d’imagerie sans étiquette, les chercheurs utilisent des lasers pour éclairer des molécules spécifiques dans les cellules, les faisant émettre une lumière de différentes couleurs révélant divers contenus moléculaires et structures cellulaires. Cependant, générer la lumière laser idéale avec certaines longueurs d’onde et des impulsions de haute qualité pour l’imagerie des tissus profonds s’est avéré un défi.
Les chercheurs ont développé une nouvelle approche pour surmonter cette limitation. Ils utilisent une fibre multimode, un type de fibre optique qui peut transporter une quantité importante de puissance, et pourraient la coupler à un dispositif compact appelé « façonneur de fibre ». Ce shaper leur permet de moduler avec précision la propagation de la lumière en modifiant de manière adaptative la forme de la fibre. Le pliage de la fibre modifie la couleur et l'intensité du laser.
S'appuyant sur des travaux antérieurs, les chercheurs ont adapté la première version du façonneur de fibres pour une imagerie métabolique multimodale plus profonde.
« Nous voulons canaliser toute cette énergie vers les couleurs dont nous avons besoin avec les propriétés d'impulsion dont nous avons besoin. Cela nous donne une efficacité de génération plus élevée et une image plus claire, même au plus profond des tissus », explique Cao.
Une fois qu’ils ont construit le mécanisme contrôlable, ils ont développé une plate-forme d’imagerie pour exploiter la puissante source laser afin de générer des longueurs d’onde de lumière plus longues, cruciales pour une pénétration plus profonde dans les tissus biologiques.
« Nous pensons que cette technologie a le potentiel de faire progresser de manière significative la recherche biologique. En la rendant abordable et accessible aux laboratoires de biologie, nous espérons doter les scientifiques d'un puissant outil de découverte », a déclaré Liu.
Applications dynamiques
Lorsque les chercheurs ont testé leur appareil d’imagerie, la lumière a pu pénétrer plus de 700 micromètres dans un échantillon biologique, alors que les meilleures techniques antérieures ne pouvaient atteindre qu’environ 200 micromètres.
« Avec ce nouveau type d'imagerie profonde, nous voulons examiner des échantillons biologiques et voir quelque chose que nous n'avons jamais vu auparavant », ajoute Liu.
La technique d’imagerie profonde leur a permis de voir les cellules à plusieurs niveaux au sein d’un système vivant, ce qui pourrait aider les chercheurs à étudier les changements métaboliques qui se produisent à différentes profondeurs. De plus, la vitesse d'imagerie plus rapide leur permet de recueillir des informations plus détaillées sur la façon dont le métabolisme d'une cellule affecte la vitesse et la direction de ses mouvements.
Cette nouvelle méthode d’imagerie pourrait donner un coup de pouce à l’étude des organoïdes, qui sont des cellules modifiées qui peuvent se développer pour imiter la structure et la fonction des organes. Les chercheurs des laboratoires Kamm et Griffith sont pionniers dans le développement d'organoïdes cérébraux et endométriaux qui peuvent se développer comme des organes pour l'évaluation des maladies et des traitements.
Cependant, il a été difficile d’observer avec précision les développements internes sans couper ou tacher le tissu, ce qui tue l’échantillon.
Cette nouvelle technique d’imagerie permet aux chercheurs de surveiller de manière non invasive les états métaboliques à l’intérieur d’un organoïde vivant pendant sa croissance.
En gardant à l’esprit ces applications et d’autres applications biomédicales, les chercheurs prévoient de viser des images de résolution encore plus élevée. Dans le même temps, ils travaillent à la création de sources laser à faible bruit, qui pourraient permettre une imagerie plus profonde avec moins de lumière.
Ils développent également des algorithmes qui réagissent aux images pour reconstruire les structures 3D complètes d’échantillons biologiques en haute résolution.
À long terme, ils espèrent appliquer cette technique dans le monde réel pour aider les biologistes à surveiller la réponse aux médicaments en temps réel afin de faciliter le développement de nouveaux médicaments.
« En permettant l'imagerie métabolique multimodale qui pénètre plus profondément dans les tissus, nous offrons aux scientifiques une capacité sans précédent d'observer des systèmes biologiques non transparents dans leur état naturel. Nous sommes ravis de collaborer avec des cliniciens, des biologistes et des bio-ingénieurs pour repousser les limites de ce domaine. technologie et transformer ces connaissances en percées médicales concrètes », déclare You.
Cette recherche est financée, en partie, par des fonds de démarrage du MIT, un prix CAREER de la National Science Foundation des États-Unis, une bourse présidentielle Irwin Jacobs et Joan Klein du MIT et une bourse Kailath du MIT.
