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Capturer la dynamique des cellules vivantes grâce à une méthode révolutionnaire d'imagerie 3D à l'échelle nanométrique - 22/05/2020

Les scientifiques du Technion ont développé une méthode d'imagerie 3D à forte valeur ajoutée, capable de capter, en temps réel, les processus nanométriques se produisant à l'intérieur des cellules vivantes en mouvement.

Le groupe de chercheurs, accompagné par le Professeur Yoav Shechtman de la Faculté de génie biomédical du Technion, a repensé une machine d'imagerie existante, d'une valeur de centaines de milliers de dollars. La nouvelle machine permet de produire des images 3D de 1 000 cellules par minute. La recherche a été dirigée par le Docteur Lucien E. Weiss, le chercheur postdoctoral. Les résultats ont été publiés dans Nature Nanotechnology.

« Notre objectif est d’intégrer l'imagerie 3D dans des cellules vivantes, dans des conditions qui ressemblent à celles de l'environnement naturel de celles-ci », a expliqué le Professeur Shechtman. « C’est un énorme défi, car la microscopie 3D est un travail qui nécessite généralement beaucoup de temps et une sorte de numérisation. Ici, nous utilisons des images uniques capturées pendant que les cellules circulent. »

Des expériences utilisant le nouveau système ont été menées sur des molécules d'ADN de levures vivantes et de globules blancs, avec des particules nanométriques d'imagerie conçues en collaboration avec le laboratoire du Professeur Avi Schroeder de la faculté de génie chimique Wolfson du Technion.

« Ce succès peut avoir des conséquences importantes en science fondamentale, telles que la compréhension de la structure 3D de l'ADN dans une cellule vivante, ainsi que dans le domaine de la nano médecine, qui permettrait potentiellement de développer un traitement médical basé sur des particules nanométriques semblables à celles qui ont été conçues dans le laboratoire du Professeur Schroeder », a declaré le Professeur Shechtman.

« Par exemple, la nouvelle technologie nous permettra de mesurer le taux d'absorption des particules thérapeutiques dans les cellules vivantes, de suivre leur dispersion dans la cellule et de surveiller leur effet sur la celle-ci. Il existe aujourd'hui des techniques de cartographie et de mesure des cellules, mais celles qui fournissent un débit élevé ne montrent qu'une image partielle et 2D. Notre technologie combine les avantages des différentes techniques existantes et fournit de plus une image 3D à un rythme élevé. »

La technologie innovante est basée sur la réingénierie d'ImageStream, une machine d'imagerie sophistiquée achetée par le Centre interdisciplinaire "Lorry I. Lokey for Life Sciences and Engineering" du Technion. Cette machine combine deux technologies , que sont la cytométrie de flux et la microscopie fluorescente ― permettant de de produire des analyses rapides des cellules.

« Le taux d’échantillonnage et le nombre de cellules échantillonnées sont des éléments très importants dans le contexte biologique, car la biologie est généralement imprécise, et il est souvent nécessaire de disposer de nombreux statistiques sur de de grandes quantités pour parvenir à une conclusion », a déclaré Shechtman. « Dans certains cas, en raison de faibles taux d'échantillonnage, il est impossible d'en désuire des informations statistiques viables. Au moment où vous avez terminé de collecter les données, le phénomène intéressant a déjà changé. Par conséquent, il est important d'utiliser une technologie qui permet des taux d'échantillonnage élevés. ». C'est ce que permet la technologie développée.

ImageStream remplit de nombreuses fonctions, notamment la définition des attributs de la population, le diagnostic des conditions médicales et le test de nouveaux médicaments. Selon Shechtman, « C'est un excellent outil, mais jusqu'à présent, il n'a été utilisé que pour enregistrer des images 2D ou des projections d'objets. Pour de nombreuses applications, cependant, il est important de collecter des données 3D. Par exemple, même si nous voulons simplement déterminer la distance entre deux particules, une mesure 2D n'est pas suffisante, car dans ce cas la dimension de la profondeur contribue également à la mesure de la distance. »

Le principal défi technologique de cette recherche était donc de transformer ImageStream en un système d'imagerie 3D.

Le groupe de recherche a installé la technologie qu'il a développée ces dernières années sur ImageStream, afin de permettre le développement de la microscopie de localisation basée sur un système de conception du front d'onde. Il s'agit en fait d'une distorsion contrôlée du système optique, de sorte que la position des particules dans l'espace 3D puisse être cartographiée. Cette technologie est basée sur l'imagerie de molécules colorées intégrées dans l'échantillon, qui marquent des emplacements importants, tels que les noyaux cellulaires. En utilisant la forme obtenue de la caméra après son passage dans le système optique déformé, la machine analyse l'emplacement 3D de l'objet examiné. À ce jour, cette technologie a été utilisée pour l'imagerie 3D d'une ou de plusieurs cellules à la fois, et sa connexion à l'instrument de cytométrie la rend capable de cartographier les cellules en circulation. Cette connexion, qui est en soi un énorme défi technologique, explique le succès de l'échantillonnage à un débit extrêmement élevé - des milliers de cellules par minute.

Les scientifiques s'attendent à ce que cette avancée conduise à d'importants développements et applications scientifiques dans les domaines de la recherche biologique et biotechnologique, dans celui du diagnostic médical et du développement de nouveaux traitements médicaux. Asst. Le professeur Yoav Shechtman et le Dr Lucien Weiss sont tous deux soutenus par le programme de leadership STEM Mortimer B. Zuckerman. Onit Alalouf, le Dr Sarah Goldberg et les doctorants Yael Shalev Ezra, Boris Ferdman et Omer Adir ont également participé à cette recherche.

Cliquez-ici pour accéder à l’article complet dans Nature Nanotechnology

Source : Technion

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