Depuis la première description de Robert Hooke d'une cellule dans Micrographia il y a 350 ans, la microscopie a joué un rôle important dans la compréhension des règles de la vie.
Cependant, la plus petite caractéristique résolvable, la résolution, est limitée par la nature ondulatoire de la lumière. Cette barrière centenaire a restreint la compréhension des fonctions cellulaires, des interactions et de la dynamique, en particulier à l'échelle submicronique à nanométrique.
La microscopie à fluorescence de super-résolution dépasse cette limite fondamentale, offrant jusqu'à dix fois la résolution et permet aux scientifiques de visualiser le fonctionnement interne des cellules et des biomolécules à une résolution spatiale sans précédent.
Une telle capacité de résolution est cependant entravée lors de l'observation à l'intérieur de spécimens de cellules entières ou de tissus, tels que ceux souvent analysés lors des études sur le cancer ou le cerveau. Les signaux lumineux, émis par les molécules à l'intérieur d'un spécimen, traversent différentes parties des structures cellulaires ou tissulaires à différentes vitesses et entraînent des aberrations qui détérioreront l'image.
Maintenant, les chercheurs de l'Université Purdue ont développé une nouvelle technologie pour surmonter ce défi.
« Notre technologie nous permet de mesurer les distorsions du front d'onde induites par l'échantillon, soit une cellule ou un tissu, directement à partir des signaux générés par des molécules uniques – de minuscules sources de lumière attachées aux structures cellulaires d'intérêt », a déclaré Fang Huang, professeur adjoint de génie biomédical au Purdue's College of Engineering. « En connaissant la distorsion induite, nous pouvons déterminer avec précision et précision la position des molécules individuelles. Nous obtenons des milliers à des millions de coordonnées de molécules individuelles dans un volume cellulaire ou tissulaire et utilisons ces coordonnées pour révéler les architectures nanométriques des constituants des échantillons. » «
La technologie de l'équipe Purdue est récemment publiée dans Méthodes de la nature. Une vidéo montrant une super-résolution 3D animée est disponible sur https: /
Pendant l'imagerie tridimensionnelle de super-résolution, nous enregistrons des milliers à des millions de modèles d'émission de molécules fluorescentes uniques. Ces modèles d'émission peuvent être considérés comme des observations aléatoires à différentes positions axiales échantillonnées à partir de la fonction d'étalement 3D sous-jacente décrivant les formes de ces modèles d'émission à différentes profondeurs, que nous visons à récupérer. Notre technologie utilise deux étapes: l'attribution et la mise à jour, pour récupérer de manière itérative la distorsion du front d'onde et les réponses 3D à partir du jeu de données enregistré de molécule unique contenant des modèles d'émission de molécules à des emplacements arbitraires. «
Fan Xu, associé postdoctoral au laboratoire de Huang et co-premier auteur de la publication
La technologie Purdue permet de trouver les positions des biomolécules avec une précision allant jusqu'à quelques nanomètres à l'intérieur des cellules et des tissus entiers et, par conséquent, de résoudre les architectures cellulaires et tissulaires avec une résolution et une fidélité élevées.
« Cette avancée étend l'applicabilité de routine de la microscopie de super-résolution de cibles cellulaires sélectionnées près des lamelles couvre-objet à des cibles intra et extracellulaires profondément à l'intérieur des tissus », a déclaré Donghan Ma, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Huang et co-premier auteur de la publication. . « Cette nouvelle capacité de visualisation pourrait permettre une meilleure compréhension des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer et de nombreuses autres maladies affectant le cerveau et diverses parties du corps. »
Les National Institutes of Health ont apporté un soutien majeur à la recherche.
Les autres membres de l'équipe de recherche sont Gary Landreth, professeur à l'École de médecine de l'Université d'Indiana; Sarah Calve, professeur agrégé de génie biomédical au Purdue's College of Engineering (actuellement professeur agrégé de génie mécanique à l'Université du Colorado Boulder); Peng Yin, professeur à la Harvard Medical School; et Alexander Chubykin, professeur adjoint de sciences biologiques à Purdue. La liste complète des auteurs se trouve dans Méthodes de la nature.
« Cette avancée technique est surprenante et changera fondamentalement la précision avec laquelle nous évaluons les caractéristiques pathologiques de la maladie d'Alzheimer », a déclaré Landreth. « Nous sommes capables de voir des objets de plus en plus petits et leurs interactions les uns avec les autres, ce qui permet de révéler des complexités structurelles que nous n'avions pas appréciées auparavant. »
Calve a déclaré que la technologie est un pas en avant dans les thérapies régénératives pour aider à promouvoir la réparation dans le corps.
« Ce développement est essentiel pour comprendre la biologie tissulaire et être en mesure de visualiser les changements structurels », a déclaré Calve.
Chubykin, dont le laboratoire se concentre sur l'autisme et les maladies affectant le cerveau, a déclaré que la technologie d'imagerie haute résolution fournit une nouvelle méthode pour comprendre les déficiences cérébrales.
« Il s'agit d'une formidable percée en termes d'analyses fonctionnelles et structurelles », a déclaré Chubykin. « Nous pouvons voir une vue beaucoup plus détaillée du cerveau et même marquer des neurones spécifiques avec des outils génétiques pour une étude plus approfondie. »
L'équipe a travaillé avec le Bureau de commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation pour breveter la technologie. Le bureau a récemment emménagé dans le Centre de convergence pour l'innovation et la collaboration dans le district de Discovery Park, adjacent au campus Purdue.
La source:
Référence de la revue:
Xu, F, et al. (2020) Nanoscopie tridimensionnelle de cellules et de tissus entiers avec récupération in situ de la fonction d'étalement ponctuel. Méthodes de la nature. doi.org/10.1038/s41592-020-0816-x.
