Les chercheurs amplifient les structures biologiques cachées en combinant SRS et microscopie d’expansion

Une équipe de recherche de l’Université Carnegie Mellon et de Columbia a combiné deux technologies d’imagerie émergentes pour mieux visualiser un large éventail de biomolécules, notamment des protéines, des lipides et de l’ADN, à l’échelle nanométrique. Leur technique, qui associe la microscopie à expansion et la microscopie à diffusion Raman stimulée, est détaillée dans Sciences avancées.

Les biomolécules sont traditionnellement imagées à l’aide de la microscopie à fluorescence, mais cette technique a ses limites. La microscopie fluorescente repose sur des étiquettes porteuses de fluorophores pour se lier et marquer les molécules d’intérêt. Ces balises émettent une lumière fluorescente avec une large gamme de longueurs d’onde ; ainsi, les chercheurs ne peuvent utiliser que 3 à 4 couleurs fluorescentes dans le spectre visible à la fois pour marquer les molécules d’intérêt.

Contrairement à la microscopie à fluorescence, la microscopie à diffusion Raman stimulée (SRS) visualise les liaisons chimiques des biomolécules en capturant leurs empreintes vibratoires. En ce sens, SRS n’a pas besoin d’étiquettes pour voir les différents types de biomolécules, ou même différents isotopes, dans un échantillon. De plus, un arc-en-ciel de colorants avec des spectres vibratoires uniques peut être utilisé pour imager plusieurs cibles. Cependant, le SRS a une limite de diffraction d’environ 300 nanomètres, ce qui le rend incapable de visualiser de nombreuses structures nanométriques cruciales trouvées dans les cellules et les tissus.

« Chaque type de molécule a sa propre empreinte vibratoire. Le SRS nous permet de voir le type de molécule que nous voulons en syntonisant la fréquence caractéristique de ses vibrations. Quelque chose comme la commutation entre les stations de radio », a déclaré Carnegie Mellon Eberly Family Associate Professor of Sciences biologiques Yongxin (Léon) Zhao.

Le laboratoire de Zhao a développé de nouveaux outils d’imagerie basés sur la microscopie d’expansion, une technique qui résout le problème des limites de diffraction dans un large éventail d’imagerie biologique. La microscopie par expansion prélève des échantillons biologiques et les transforme en hydrogels solubles dans l’eau. Les hydrogels peuvent ensuite être traités et amenés à se dilater jusqu’à plus de 100 fois leur volume d’origine. Les échantillons expansés peuvent ensuite être imagés en utilisant des techniques standard.

« Tout comme la SRS a pu surmonter les limites de la microscopie à fluorescence, la microscopie à expansion surmonte les limites de la SRS », a déclaré Zhao.

Les chercheurs de Carnegie Mellon et de Columbia ont combiné la SRS et la microscopie d’expansion pour créer une imagerie à l’échelle nanométrique de la fluorescence activée par gel moléculaire et une microscopie à diffusion Raman stimulée (MAGNIFIERS). La technique de microscopie d’expansion de Zhao a pu étendre les échantillons jusqu’à 7,2 fois, leur permettant d’utiliser le SRS pour imager des molécules et des structures plus petites qu’ils ne pourraient le faire sans expansion.

Dans l’étude récemment publiée, l’équipe de recherche a montré que les MAGNIFIERS pouvaient être utilisés pour l’imagerie métabolique à haute résolution d’agrégats de protéines, comme ceux créés dans des conditions telles que la maladie de Huntington. Ils ont également montré que MAGNIFIERS pouvait cartographier l’emplacement à l’échelle nanométrique de huit marqueurs différents dans le tissu cérébral en même temps.

Les chercheurs prévoient de continuer à développer la technique MAGNIFIERS pour obtenir une imagerie à plus haute résolution et à plus haut débit pour comprendre la pathologie de maladies complexes, telles que le cancer et les troubles cérébraux.

Les co-auteurs supplémentaires de l’étude incluent : Alexsandra Klimas, Brendan Gallagher, Zhangu Cheng, Feifei Fu, Piyumi Wijesekara et Xi Ren de Carnegie Mellon ; et Yupeng Miao, Lixue Shi et Wei Min de Colombie.