Les sondes fluorescentes et radiométriques fournissent aux chercheurs des données plus détaillées

Jiajie Diao et Yujie Sun, de l’Université de Cincinnati, ont une approche simple de la recherche : gardez l’esprit ouvert et suivez les données partout où elles vous mènent.

Cela signifie que même les découvertes accidentelles sont prises au sérieux et que le chemin vers leurs objectifs n’est pas toujours direct d’un point A à un point B. Cet état d’esprit a conduit à une collaboration fructueuse, les chercheurs publiant récemment des articles sur de nouvelles sondes qui fournissent plus d’informations sur la façon dont les cellules fonctionnent dans les journaux Science chimique et Biocapteurs et bioélectronique.

Regarder plus profondément dans les tissus

Les sondes précédentes développées par l’équipe se sont concentrées sur une structure spécialisée appelée lysosome qui agit comme un « centre de recyclage » au sein des cellules, réutilisant les matériaux cassés ou défectueux à différentes fins. Des niveaux de pH anormaux dans les lysosomes sont associés à des dysfonctionnements cellulaires pouvant conduire à des maladies comme le cancer et la maladie d’Alzheimer.

Deux générations précédentes de sondes ont fourni des informations de plus en plus détaillées sur l’acidité des lysosomes au niveau cellulaire, mais les courtes longueurs d’onde de lumière qui activaient la sonde n’étaient pas suffisamment puissantes pour pénétrer dans les tissus.

« Nous avons dû utiliser des longueurs d’onde plus courtes pour exciter la sonde, et normalement ce sont des longueurs d’onde visibles, donc leur pénétration est vraiment limitée », a déclaré Diao, Ph.D., professeur agrégé au Département de biologie du cancer de la Faculté de médecine de l’UC. « Nous ne pouvions pas aller en profondeur, donc c’est bon pour l’imagerie cellulaire, mais ce n’est pas bon pour les tissus ou la recherche sur les organismes vivants (in vivo). »

La dernière avancée des chercheurs consistait à utiliser deux photons de plus faible énergie avec une longueur d’onde plus longue pour activer les sondes. Appelée imagerie à deux photons, les longueurs d’onde plus longues peuvent pénétrer plus profondément afin que la recherche puisse être effectuée sur des modèles animaux et des tissus humains.

Sun et Diao ont développé trois sondes à deux photons qui localisent différentes zones des cellules et peuvent être utilisées pour mieux visualiser les organites ou les structures spécialisées au sein des cellules.

« Il peut être utilisé en microscopie à deux photons pour montrer des images 3D de cellules, d’organoïdes et de tissus », a déclaré Sun, Ph.D., professeur au département de chimie de l’UC. « Nous développons de nouvelles sondes fluorescentes absorbant deux photons, sensibles à divers facteurs, tels que le pH, la viscosité et les espèces ioniques. »

« Souvent, les mesures tissulaires ou même in vivo sont plus importantes que les mesures cellulaires », a ajouté Diao. « Cette sonde éclairera des organites individuels, et c’est bien mieux que les sondes commerciales à deux photons actuellement disponibles. »

Détailler la viabilité des cellules individuelles

Les chercheurs testant de nouveaux traitements pour des maladies comme le cancer mesurent la viabilité cellulaire, ou si une cellule meurt ou reste active, après avoir été en contact avec un traitement.

« Lorsque vous administrez un traitement, la première chose que vous vérifiez est toujours la viabilité cellulaire », a déclaré Diao.

Traditionnellement, la viabilité cellulaire était mesurée en examinant une grande population de millions de cellules à la fois, ce qui, selon Diao, revient à donner à un groupe entier d’étudiants la même note à l’examen en fonction de leur score moyen.

« Comme tout le monde peut le ressentir à un moment donné, c’est injuste, parce que tout le monde est différent », a déclaré Diao. « Et chaque cellule est différente. »

Les progrès dans le domaine de la biologie cellulaire ont suscité un nouvel intérêt pour la mesure de la viabilité cellulaire individuelle, ce qui revient à noter chaque étudiant en fonction de ses propres performances à l’examen. Cela fournit des informations plus spécifiques aux chercheurs en montrant comment différents types de cellules réagissent aux traitements testés.

En travaillant sur la sonde précédente mesurant les niveaux d’acidité des cellules, Diao et Sun ont créé une version de contrôle qui n’était pas sensible aux changements de niveaux de pH. Complètement par hasard, ils ont découvert que même si cette version de la sonde était structurellement similaire, elle se comportait différemment, se localisant sur différents organites.

La nouvelle sonde colore initialement les mitochondries de la cellule, qui agissent comme une centrale électrique fournissant de l’énergie à la cellule. Mais lorsque la cellule est endommagée, la sonde se déplace et colore le noyau qui contient le matériel génétique de la cellule.

« Finalement, le signal sur les mitochondries commencera à s’atténuer et le signal sur le noyau deviendra plus fort. Ainsi, en mesurant le rapport d’intensité de couleur entre les mitochondries et le noyau, nous pouvons évaluer quantitativement la viabilité des cellules individuelles », a déclaré Diao. « C’est un concept très nouveau. Personne n’a fait ça auparavant. »

À long terme, l’équipe espère que la sonde pourra être utilisée pour en savoir plus sur les différences biologiques qui déterminent si une cellule est immédiatement tuée par un traitement ou si elle développe une résistance et n’est pas affectée.

« Il doit y avoir quelque chose de différent », a déclaré Diao. « Nous voulons tuer les mauvaises cellules et faire vivre les bonnes cellules plus longtemps. Nous voulons y contribuer au niveau cellulaire individuel. »

Sun a déclaré qu’ils travailleraient également à étendre ce que l’on appelle la fenêtre spectrale de la sonde, ou la longueur d’onde maximale pouvant être utilisée pour activer la sonde.

« Comme les photons de longueur d’onde plus longue pénètrent mieux dans les tissus, nous pourrons voir plus profondément », a déclaré Sun.

Collaboration réussie

Sun et Diao sont les codirecteurs du Centre d’imagerie chimique en biomédecine de l’UC, dont le but est de repousser les limites de l’imagerie en développant de nouvelles méthodes, sondes et équipements.

Depuis qu’ils ont uni leurs forces, le duo a été prolifique en publiant des recherches et en faisant des progrès. Diao attribue à leur état d’esprit commun le fait de ne pas avoir d’idées préconçues sur la direction que la recherche pourrait mener à leur succès.

« Je pense que la chose la plus importante est de toujours garder l’esprit ouvert, de communiquer fréquemment et de ne pas se limiter », a-t-il déclaré. « Nous disons toujours que les données sont des données. Bien souvent, le plus grand combat sera celui entre une imagination prédéfinie. »

Ayant toujours à l’esprit des objectifs plus ambitieux, l’équipe de recherche ajuste constamment les attentes et les objectifs lorsqu’elle voit une opportunité de progrès tangible.

Diao a noté qu’ils avaient initialement commencé à travailler ensemble dans le but de développer immédiatement une sonde à deux photons, mais qu’ils n’avaient pas la bonne expérience. Plutôt que de travailler sans but, ils ont changé de vitesse, développé des sondes cellulaires et acquis les connaissances nécessaires pour créer des sondes à deux photons.

Sun a déclaré qu’un autre aspect clé du partenariat est Rui Chen, étudiant diplômé en chimie, que Diao et Sun co-conseillent.

« Rui a été le pont entre nos groupes et Jiajie est donc pleinement conscient des progrès que nous réalisons dans mon laboratoire », a déclaré Sun. « L’expertise complémentaire entre nos deux groupes fait vraiment de nous une excellente équipe pour travailler en synergie. Je suis optimiste quant à nos futures réalisations en bioimagerie.