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Examen des cellules vivantes à une résolution à l'échelle nanométrique
Un microscope optique 3D à très haute résolution développé à l'Institut Max Planck de chimie biophysique permettra aux biologistes d'observer le fonctionnement des plus petits organites et même des amas individuels de protéines dans les cellules vivantes. La nouvelle technologie, qui a une résolution de 40 nanomètres, surmonte certaines limitations majeures des techniques de microscopie existantes et pourrait avoir des applications importantes pour disséquer exactement l'impact des médicaments sur les cellules.
Centrale cellulaire : Ces images d'un organite cellulaire appelé mitochondrie ont été prises avec le microscope optique 3D à la plus haute résolution jamais développé. Des chercheurs de l'Institut Max Planck, en Allemagne, ont utilisé le microscope pour imager des amas de protéines individuels marqués par fluorescence dans les mitochondries de cellules vivantes (ci-dessous) et pour les combiner pour former des images 3D (ci-dessus).
[C'est] un tour de force - une réalisation majeure, dit Jean Sadate , professeur de biochimie et de biophysique à l'Université de Californie à San Francisco. En utilisant le microscope Max Planck et d'autres qui poussent la résolution à l'échelle nanométrique, les biologistes pourront observer le fonctionnement des cellules vivantes à un niveau de détail sans précédent. Cela va être une révolution pour la biologie, dit Sedat, qui n'était pas impliqué dans la recherche.
Au cours des dernières décennies, les biologistes ont fait de grands progrès dans la compréhension de la composition moléculaire des cellules, mais la façon dont ces parties s'ajoutent au fonctionnement des cellules et des tissus reste un mystère. À l'aide de microscopes optiques, les biologistes peuvent observer des cellules vivantes à une résolution relativement faible ; en utilisant la microscopie électronique, ils peuvent disséquer soigneusement les cellules mortes.
Le nouveau microscope vous permet de disséquer optiquement des cellules vivantes, dit Stefan Enfer , chef du département de nanobiophotonique à l'Institut Planck, à Göttingen, en Allemagne, qui a dirigé le développement de l'instrument.
Les chercheurs ont utilisé le nouveau microscope pour créer les premières images lumineuses à très haute résolution de minuscules organites cellulaires appelées mitochondries, qui sont cruciales pour le métabolisme cellulaire et jouent un rôle dans le processus de vieillissement. Une application potentielle consiste à visualiser comment certains médicaments anticancéreux affectent les mitochondries, dont le fonctionnement interne est invisible à la microscopie optique 3D. Cela a été difficile parce que vous ne pouviez pas voir molécules se liant les unes aux autres, ce qui rend impossible de nommer définitivement la cause des effets de ces médicaments, dit Maryann Fitzmaurice , pathologiste à la Case Western Reserve University, à Cleveland.
Les microscopes optiques tridimensionnels fonctionnent en balayant un point de lumière focalisé à travers les cellules dans trois plans. La taille de cette tache limite la résolution du microscope - rien de plus petit que la taille de la tache ne peut être vu. En raison d'une propriété fondamentale de la lumière appelée limite de diffraction, il est impossible de focaliser la lumière à une taille inférieure à la moitié de sa longueur d'onde avec des lentilles conventionnelles. De nombreuses parties de la cellule sont plus petites que la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour ces techniques. D'autres chercheurs ont contourné la limite de diffraction en deux dimensions, ou avec des techniques qui ne fonctionnent qu'avec une longueur d'onde particulière de la lumière.
Le groupe Max Planck a développé un moyen de contourner les limitations fondamentales de la lumière en utilisant deux faisceaux au lieu d'un. Le premier faisceau lumineux joue le même rôle – et a la même taille de spot – que la lumière dans un microscope conventionnel. Il se déplace à travers la cellule étudiée, excitant les molécules marquées par fluorescence à l'intérieur de la cellule pour qu'elles deviennent fluorescentes. Le deuxième faisceau sculpte le premier, dit Hell, en inhibant la fluorescence créée par les bords du premier faisceau. Cela réduit la taille effective du spot à 40 à 45 nanomètres de diamètre.
Fitzmaurice affirme que la microscopie à résolution moléculaire améliorera les soins aux patients sur toute la ligne. L'accent a été mis sur les défauts moléculaires de la maladie, mais pour vraiment les comprendre, vous devez les voir dans la cellule, dit-elle. Elle pense que la microscopie à résolution nanométrique jouera également un rôle important dans l'avancement de la médecine personnalisée. Par exemple, les scientifiques ont identifié des biomarqueurs spécifiques qui aident à prédire le pronostic d'un patient atteint de cancer, mais tous les patients avec un biomarqueur particulier ne répondent pas de la même manière aux mêmes traitements. En utilisant le nouveau microscope de Hell et d'autres à venir, les biologistes peuvent effectuer les recherches fondamentales nécessaires pour comprendre comment les protéines et d'autres molécules interagissent et, finalement, pour identifier des prédicteurs plus précis de la maladie.
Et à l'avenir, des microscopes à résolution nanométrique pourraient être utilisés dans les laboratoires hospitaliers pour effectuer une médecine véritablement personnalisée. Sedat dit que le prochain niveau pour la microscopie à résolution nanométrique est de la développer pour l'imagerie non seulement de cellules individuelles mais aussi de tissus tels que les biopsies chirurgicales. Je crois que nous sommes au bord de nouvelles directions importantes pour la microscopie optique, dit-il.