Il existe de nombreuses créatures sur notre planète dotées de sens plus avancés que les humains. Les tortues peuvent détecter le champ magnétique terrestre. Les crevettes-mantes peuvent détecter la lumière polarisée. Les éléphants peuvent entendre des fréquences beaucoup plus basses que les humains. Les papillons peuvent percevoir une plus large gamme de couleurs, y compris la lumière ultraviolette (UV).
Inspirée par le système visuel amélioré du papillon Papilio xuthus, une équipe de chercheurs a développé un capteur d’imagerie capable de « voir » dans la gamme UV inaccessible à l’œil humain. La conception du capteur utilise des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite (PNC) capables d’imager différentes longueurs d’onde dans la gamme UV. Utilisant les signatures spectrales de marqueurs biomédicaux, tels que les acides aminés, cette nouvelle technologie d’imagerie est même capable de différencier les cellules cancéreuses des cellules normales avec un niveau de confiance de 99 %.
Cette nouvelle recherche, dirigée par Viktor Gruev, professeur de génie électrique et informatique à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, et Shuming Nie, professeur de bio-ingénierie, a été récemment publiée dans la revue Avancées scientifiques.
Petites variations
« Nous nous sommes inspirés du système visuel des papillons, capables de percevoir plusieurs régions du spectre UV, et avons conçu une caméra qui reproduit cette fonctionnalité », explique Gruev. « Nous y sommes parvenus en utilisant de nouveaux nanocristaux de pérovskite, combinés à une technologie d’imagerie au silicium, et cette nouvelle technologie de caméra peut détecter plusieurs régions UV. »
La lumière UV est un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde sont plus courtes que celles de la lumière visible (mais plus longues que les rayons X). Nous connaissons bien les rayons UV du soleil et les dangers qu’ils représentent pour la santé humaine. La lumière UV est classée en trois régions différentes : UVA, UVB et UVC, en fonction de différentes plages de longueurs d’onde. Étant donné que les humains ne peuvent pas voir la lumière UV, il est difficile de capturer les informations UV, en particulier en discernant les petites différences entre chaque région.
Les papillons, cependant, peuvent voir ces petites variations dans le spectre UV, tout comme les humains peuvent voir les nuances de bleu et de vert. Gruev note : « Je suis intrigué par la façon dont ils sont capables de voir ces petites variations. La lumière UV est incroyablement difficile à capturer, elle est simplement absorbée par tout, et les papillons ont réussi à le faire extrêmement bien. »
Le jeu des imitations
Les humains ont une vision trichromatique avec trois photorécepteurs, où chaque couleur perçue peut être composée d’une combinaison de rouge, de vert et de bleu. Les papillons, cependant, ont des yeux composés, avec six (ou plus) classes de photorécepteurs avec des sensibilités spectrales distinctes. En particulier, le Papilio xuthus, un papillon asiatique jaune, possède non seulement des récepteurs bleus, verts et rouges, mais aussi des récepteurs violets, ultraviolets et à large bande. De plus, les papillons possèdent des pigments fluorescents qui leur permettent de convertir la lumière UV en lumière visible qui peut ensuite être facilement détectée par leurs photorécepteurs. Cela leur permet de percevoir une gamme plus large de couleurs et de détails dans leur environnement.
Au-delà du nombre accru de photorécepteurs, les papillons présentent également une structure à plusieurs niveaux unique dans leurs photorécepteurs. Pour reproduire le mécanisme de détection UV du papillon Papilio xuthus, l’équipe de l’UIUC a imité le processus en combinant une fine couche de PNC avec un réseau à plusieurs niveaux de photodiodes au silicium.
Les PNC sont une classe de nanocristaux semi-conducteurs qui présentent des propriétés uniques similaires à celles des points quantiques : la modification de la taille et de la composition de la particule modifie les propriétés d’absorption et d’émission du matériau. Au cours des dernières années, les PNC sont devenus un matériau intéressant pour différentes applications de détection, telles que les cellules solaires et les LED. Les PNC sont extrêmement efficaces pour détecter les longueurs d’onde UV (et même inférieures), contrairement aux détecteurs au silicium traditionnels. Dans le nouveau capteur d’imagerie, la couche PNC est capable d’absorber les photons UV et de réémettre de la lumière dans le spectre visible (vert), qui est ensuite détectée par les photodiodes au silicium à plusieurs niveaux. Le traitement de ces signaux permet la cartographie et l’identification des signatures UV.
Soins de santé et au-delà
Il existe divers marqueurs biomédicaux présents dans les tissus cancéreux à des concentrations plus élevées que dans les tissus sains : acides aminés (éléments constitutifs des protéines), protéines et enzymes. Lorsqu’ils sont excités par la lumière UV, ces marqueurs s’allument et deviennent fluorescents dans l’UV et une partie du spectre visible, selon un processus appelé autofluorescence. « L’imagerie dans la région UV a été limitée et je dirais que cela a été le plus grand obstacle au progrès scientifique », explique Nie. « Nous avons désormais mis au point cette technologie qui nous permet d’imager la lumière UV avec une sensibilité élevée et de distinguer également de petites différences de longueur d’onde. »
Étant donné que les cellules cancéreuses et saines ont des concentrations de marqueurs différentes et donc des signatures spectrales différentes, les deux classes de cellules peuvent être différenciées en fonction de leur fluorescence dans le spectre UV. L’équipe a évalué leur appareil d’imagerie sur sa capacité à distinguer les marqueurs liés au cancer et a découvert qu’il est capable de différencier le cancer des cellules saines avec un niveau de confiance de 99 %.
Gruev, Nie et leur équipe de recherche collaborative envisagent de pouvoir utiliser ce capteur pendant une intervention chirurgicale. L’un des plus grands défis consiste à savoir quelle quantité de tissu retirer pour garantir des marges nettes. Un tel capteur peut contribuer à faciliter le processus décisionnel lorsqu’un chirurgien retire une tumeur cancéreuse.
« Cette nouvelle technologie d’imagerie nous permet de différencier les cellules cancéreuses des cellules saines et ouvre la voie à de nouvelles applications passionnantes au-delà de la simple santé », explique Nie. Il existe de nombreuses autres espèces en plus des papillons capables de voir dans les UV, et disposer d’un moyen de détecter cette lumière offrira aux biologistes des opportunités intéressantes d’en apprendre davantage sur ces espèces, comme leurs habitudes de chasse et d’accouplement. Placer le capteur sous l’eau peut également contribuer à une meilleure compréhension de cet environnement. Bien qu’une grande partie des UV soient absorbés par l’eau, il y en a encore suffisamment pour avoir un impact et de nombreux animaux sous l’eau voient et utilisent également la lumière UV.
Plus d’information:
Cheng Chen et al, Capteurs d’imagerie CMOS bioinspirés, empilés verticalement et améliorés par des nanocristaux de pérovskite pour résoudre les signatures spectrales UV, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860