La technique PRISM dépasse les limites de diffraction de la lumière pour l'imagerie de cellules vivantes dans l'espace et le temps

• Les chercheurs développent une nouvelle technique (PRISM) qui permet d'observer au-delà de la diffraction de la lumière. 
• Il peut capturer des vues exceptionnelles à l'intérieur des cellules vivantes grâce à une imagerie spatiale et temporelle de super-résolution. 

Au cours des deux dernières décennies, nous avons utilisé des méthodes d’imagerie par fluorescence à grand champ, comme PALM et STORM, pour observer les structures subcellulaires. Ces méthodes nécessitent des centaines et des milliers d’images brutes réparties dans de longues séquences. Ainsi, l'augmentation de la résolution spatiale diminue la résolution temporelle.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'EPFL (institut de recherche de Lausanne, Suisse) ont conçu un système capable de capturer des vues exceptionnelles à l'intérieur des cellules vivantes grâce à une imagerie spatiale et temporelle de super-résolution (à la fois dans l'espace et dans le temps).

La nouvelle plateforme de microscopie, nommée PRISM (Phase Retrieval Instrument with Super-resolution Microscopy), permet d'observer au-delà de la diffraction de la lumière. Il intègre la microscopie tridimensionnelle et une nouvelle technique de récupération de phase tridimensionnelle en lumière blanche.

Il combine la résolution spatiale de la super-résolution de fluorescence et de la spécificité moléculaire avec l'imagerie de phase quantitative rapide et sensible, permettant une imagerie multimodale en 4 dimensions. 

Comment fonctionne la microscopie cellulaire 4D ?

Les chercheurs ont utilisé le filtrage de Fourier pour extraire la phase quantitative 3D d’une série d’images en lumière blanche. Ensuite, ils ont expliqué cette imagerie de phase en champ clair résolue en profondeur grâce à la formation d'images 3D partiellement cohérentes.

Ils ont démontré leur concept en récupérant les données de phase 3D haute résolution de cellules stables à partir d’une grande pile d’intensités déplacées en Z. Ils ont développé PRISM pour l’acquisition simultanée de 8 plans – il peut réaliser une imagerie de phase 3D à grande vitesse sur un volume de 2,5*50*50 micromètres. Enfin, ils ont imagé séquentiellement des échantillons de cellules en 3D avec microscopie de phase et imagerie de fluctuation optique à super-résolution (SOFI).

SOFI prend en charge l’imagerie 3D de cellules vivantes avec près d’une seconde par image reconstruite en résolution temporelle dans un microscope multiplan. De plus, il offre une évaluation quantitative des paramètres moléculaires et tolère des densités de marquage élevées.

Référence : Nature Photonics | est ce que je:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

En langage simple, PRISM est un complément aux plateformes actuelles de microscopie à grand champ, qui permet une mise en œuvre simple et rapide de l’imagerie super résolution par fluorescence 3D et de la phase quantitative 3D. En fin de compte, le nouveau système offre une meilleure opportunité d'observer la physiologie temporelle et spatiale complexe des cellules vivantes.

Détails techniques

Une cellule observée avec la technique PRISM | Crédit :  T. Lasser / EPFL

Basée sur l’équation des ondes de Helmholtz, la technique s’inscrit dans le cadre du théorème de Wiener-Khintchine. Le processus de décodage des données de phase le long de l'axe z est effectué en calculant l'interférence de diffusion faible vers l'avant.

Ils ont construit un algorithme efficace pour récupérer les données de phase 3D à partir d’une pile d’intensité volumétrique acquise. L'ouverture numérique de détection élevée et l'éclairage Koehler à lumière blanche fournissent une imagerie de phase quantitative stable, haute résolution et sans taches des cellules vivantes. De plus, les simulations ont vérifié une résolution axiale de 350*560 nanomètres. 

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Dans l'ensemble, la procédure permet de transformer un microscope à champ clair conventionnel en un microscope de phase 3D simple, rapide et fiable, censé répondre aux attentes de nombreuses recherches et applications dans les sciences de la vie et la biologie.