La microscopie révolutionnaire dévoile des détails cellulaires sans précédent en temps réel

• Des scientifiques développent un nouveau microscope capable d'imager la dynamique subcellulaire dans les organismes multicellulaires. 
• Pour ce faire, ils ont combiné des techniques de microscopie à feuille de lumière sur réseau et d'optique adaptative. 
• Ils ont pu observer le comportement des organites à mesure qu'ils se façonnent au sein des cellules, en temps réel. 

En 1665, Robert Hooke utilisa un microscope pour examiner une petite tranche de liège et découvrit de petits blocs, qu’il appela « cellules ». Depuis lors, d'innombrables efforts ont été déployés par de nombreux esprits innovants pour offrir une meilleure vision de ces éléments constitutifs de la vie.

Aujourd'hui, des chercheurs de la Harvard Medical School et du Howard Hughes Medical Institute ont développé un microscope avancé capable de capturer des détails exceptionnels, notamment des images et des vidéos 3D d'une cellule vivante.

La résolution du microscope est capable d'imager la dynamique subcellulaire dans les organismes multicellulaires, comme la dynamique des vésicules (bulles microscopiques) qui transportent la cargaison moléculaire via les cellules.

Défis

Depuis plus de 3 siècles, les chercheurs utilisent des microscopes pour observer les cellules. Jusqu’à présent, les meilleures visualisations ont été obtenues à partir de cellules isolées sur des lames de verre. L'observation des cellules d'organismes multicellulaires en temps réel reste cependant une tâche beaucoup plus complexe.

La plupart du temps, les cellules cibles sont entourées de structures moléculaires ou de tissus qui perturbent le faisceau de lumière entrant et revenant vers un objectif de microscope, brouillant ainsi les détails cruciaux. L'utilisation d'un faisceau puissant n'est pas une solution parfaite car elle pourrait partiellement endommager/déformer les tissus et autres structures moléculaires.

Alors, comment ont-ils fait ?

Pour faire face à ces problèmes, les chercheurs ont combiné 2 techniques –

1. Microscopie à feuille de lumière sur réseau qui augmente la vitesse d'acquisition des images tout en réduisant les dommages cellulaires causés par la phototoxicité.
2. Optique adaptative qui réduit les distorsions du front d'onde entrant en façonnant activement un miroir. Il est généralement utilisé dans les télescopes astronomiques.

En microscopie à feuille de lumière sur réseau, une feuille de lumière structurée est utilisée pour exciter la fluorescence dans les plans consécutifs d’un échantillon. Cela produit une séquence d'images 3D qui fournissent un aperçu des processus biologiques dynamiques.

Alors que l'optique adaptative fonctionne en analysant les distorsions du front d'onde et en les compensant avec un instrument qui corrige ces erreurs, comme un réseau de cristaux liquides ou un miroir déformable.

Schéma du microscope simplifié | Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Ils ont appliqué ces principes dans le domaine de la microscopie à l’aide d’un laser à deux photons qui génère un dispositif d’optique adaptative. À mesure que la feuille de lumière du réseau pénètre dans un organisme multicellulaire, cette configuration maintient la fine illumination de la feuille, générant des images sans distorsion des cellules cibles.

Référence :ScienceMag | est ce que je:10.1126/science.aaq1392 | Université Harvard 

Ils ont ensuite validé ce microscope sur divers échantillons biologiques et développé des outils essentiels permettant de visualiser les informations de manière efficace. Cela inclut des vidéos 3D entièrement interactives.

Résultats

Cellule cancéreuse | Crédit :Rick Groleau et Kevin Jiang

Comme vous l’avez peut-être déjà deviné, les résultats ont été très impressionnants. Vous pouvez voir sur l’image, une cellule cancéreuse [en vert] se frayant un chemin à travers la paroi des vaisseaux sanguins [en violet] est clairement visible. L'image ci-dessous montre les cellules d'un œil de poisson zèbre en 3D.

Cellules oculaires du poisson zèbre | Crédit : Liu et al

Les chercheurs ont pu visualiser (en temps réel) le comportement des organites à mesure qu’ils se façonnent au sein des cellules. En fait, ils ont capturé les détails quasi moléculaires de l'endocytose médiée par les récepteurs – un processus dans lequel les cellules absorbent des hormones, des métabolites et d'autres protéines.

Quelle est la prochaine étape ?



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Les chercheurs s’efforcent désormais de rendre cette technologie simple et moins coûteuse. Le système actuel tient dans une table de 3 mètres de long. La prochaine version serait compacte et abordable. De plus, le premier microscope sera installé sur le campus de recherche Janelia, où d'autres scientifiques pourront l'utiliser.