L’imagerie diagnostique offre aux médecins et aux scientifiques des représentations visuelles critiques des structures internes du corps, améliorant considérablement l’analyse clinique et l’intervention médicale. Les chercheurs continuent d’innover sur la façon dont diverses technologies d’imagerie peuvent fournir une meilleure compréhension de la santé humaine.
Jitao Zhang, professeur adjoint de génie biomédical (BME) à la Wayne State University et membre scientifique du programme d’imagerie moléculaire du Karmanos Cancer Institute, est un chercheur primé qui détient trois brevets sur une nouvelle technique d’imagerie appelée microscopie Brillouin qui peut cartographier les cellules et la raideur des tissus souvent associée aux premiers signes de maladies telles que le cancer et la maladie d’Alzheimer.
Différente des méthodes d’imagerie conventionnelles telles que la microscopie confocale à fluorescence, la microscopie Brillouin peut acquérir les informations mécaniques (par exemple, la rigidité et la viscosité) d’échantillons biologiques sans contact et sans étiquette.
Le travail de son laboratoire pour améliorer cette méthode, qui peut répondre à de nombreuses questions importantes en biophysique et en mécanobiologie, a été présenté dans The Guardian après avoir été nommé par des pairs de la communauté scientifique comme l’une des 10 plus grandes histoires scientifiques de 2022.
Zhang et ses collaborateurs de l’Université du Maryland – où Zhang a passé six ans au Département de bio-ingénierie avant de rejoindre Wayne State en 2021 – et des National Institutes of Health (NIH) ont récemment publié un article de recherche dans Méthodes naturelles examinant l’utilisation de la microscopie Brillouin à double ligne (dLSBM) pour améliorer la vitesse d’acquisition et réduire les doses d’irradiation, deux principaux facteurs limitant la généralisation de cette technique en biomédecine.
« La microscopie confocale Brillouin existante est assez lente; il faut quelques minutes pour acquérir une image mécanique d’une seule cellule », a déclaré Zhang. « Si nous imaginons des échantillons plus grands tels que des grappes de cellules tumorales ou un embryon à un stade précoce, nous devons attendre une heure ou plus pour obtenir une image. »
En utilisant dLSBM, l’équipe de Zhang a signalé des vitesses de 50 à 100 fois plus rapides que son homologue, tout en réduisant le niveau d’irradiation lumineuse de 80 fois pour la cartographie mécanique 2D et 3D.
« Grâce à cette innovation, nous pouvons acquérir une image mécanique des amas de cellules en quelques minutes », a-t-il déclaré. « Cette vitesse d’acquisition améliorée est importante car elle nous permet d’étudier les détails des comportements cellulaires en temps quasi réel. »
La microscopie Brillouin est une modalité d’imagerie optique enracinée dans ce que l’on appelle la diffusion de la lumière Brillouin (BLS), signalée pour la première fois en 1922 par le physicien français Léon Brillouin. Le BLS se produit lorsque la lumière interagit avec une substance et que les fluctuations thermiques ou les vibrations des molécules dans le matériau provoquent la diffusion de la lumière. Les vibrations peuvent être affectées par certains facteurs, notamment la chaleur, la compression, la teneur en eau ou la rigidité du matériau. C’est la dernière de ces caractéristiques qui est la plus précieuse pour l’application de la microscopie Brillouin comme outil de diagnostic.
La progression de la maladie, comme les métastases cancéreuses, est souvent associée à des changements dans la rigidité cellulaire, mais cela est difficile à mesurer car les cellules sont petites et vivent dans des tissus très mous. Les techniques conventionnelles mesurent les cellules préparées sur une boîte de Pétri ou un autre substrat dur. Un microscope Brillouin n’utilise qu’un faisceau laser pour sonder les propriétés mécaniques, ce qui permet d’effectuer la mesure lorsque les cellules sont dans leurs conditions physiologiques.
Comme le contact physique n’est pas nécessaire, la technologie Brillouin est beaucoup moins invasive et plus pratique. Une autre application pour laquelle ces caractéristiques sont importantes est de mieux comprendre le développement des tissus embryonnaires, en particulier en ce qui concerne les maladies et troubles de la naissance.
« En raison de la structure 3D d’un embryon, les techniques traditionnelles basées sur le contact rencontrent de grands défis pour la mesure in vivo », a déclaré Zhang. « Étant donné que la microscopie Brillouin fonctionne sans contact, elle devient parfois le seul choix disponible. »
Zhang collabore avec des biologistes et des médecins de Karmanos et d’autres institutions pour répondre aux questions biomédicales avec des innovations technologiques. Cependant, Zhang a noté que « la technologie Brillouin en est encore à ses débuts et a une profondeur d’imagerie limitée. Notre laboratoire continuera à travailler pour la rendre plus accessible à des domaines biomédicaux plus larges ».
L’interaction entre les ingénieurs et les membres de la communauté médicale est particulièrement critique à l’étape du diagnostic du parcours de soins de santé. Zhang et d’autres chercheurs de Wayne State BME orientent la recherche biomédicale et les soins de santé vers des niveaux de progression sans précédent.
Plus d’information:
Jitao Zhang et al, Imagerie biomécanique rapide à faible niveau d’irradiation via la microscopie Brillouin à double ligne, Méthodes naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41592-023-01816-z