Une nouvelle ère pour l'imagerie : des ingénieurs de l'université de Boston mettent au point des techniques de microscopie révolutionnaires

Les chercheurs ont réalisé des avancées significatives dans le domaine de l'imagerie vibratoire

06.12.2023
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Lorsque les microscopes peinent à capter des signaux faibles, c'est comme si l'on essayait de repérer les détails subtils d'une peinture ou d'une photographie sans lunettes. Pour les chercheurs, cela rend difficile l'observation des petites choses qui se produisent dans les cellules ou dans d'autres matériaux. Dans une nouvelle recherche, Ji-Xin Cheng, professeur titulaire de la chaire Moustakas de photonique et d'optoélectronique de l'université de Boston, et ses collaborateurs créent des techniques plus avancées pour que les microscopes puissent mieux voir les détails minuscules d'un échantillon, sans avoir besoin de colorants spéciaux. Leurs résultats, publiés respectivement dans Nature Communications et Science Advances, aident les scientifiques à visualiser et à comprendre leurs échantillons plus facilement et avec plus de précision.

Dans ces questions-réponses, M. Cheng, qui est également professeur dans plusieurs départements de l'université - ingénierie biomédicale, ingénierie électrique et informatique, chimie et physique - se penche sur les résultats présentés dans les deux articles de recherche. Il met l'accent sur les travaux que lui et son équipe mènent actuellement et explique comment ces découvertes pourraient avoir un impact sur le domaine de la microscopie et, potentiellement, sur les futures applications scientifiques.

Vous et vos collaborateurs avez récemment publié deux articles sur la microscopie dans Nature Communications et Science Advances. Quelles sont les principales conclusions de chaque article ?

Ces deux articles visent à relever un défi fondamental dans le domaine en plein essor de l'imagerie vibratoire, qui ouvre une nouvelle fenêtre pour les sciences de la vie et les sciences des matériaux. Le défi consiste à repousser la limite de détection pour que l'imagerie vibrationnelle soit aussi sensible que l'imagerie par fluorescence et que nous puissions visualiser des molécules cibles à de très faibles concentrations (micromolaires à nanomolaires) sans colorant. Notre innovation pour relever ce défi fondamental consiste à déployer la microscopie photothermique pour détecter les liaisons chimiques dans un échantillon. Après excitation de la vibration des liaisons chimiques, l'énergie se dissipe rapidement en chaleur, provoquant une augmentation de la température. Cet effet photothermique peut être mesuré par un faisceau de sonde passant par le foyer.

Notre méthode est fondamentalement différente de la microscopie par diffusion Raman cohérente, une plateforme d'imagerie vibratoire à grande vitesse décrite dans ma revue scientifique de 2015. Ensemble, nous avons créé une nouvelle classe d'outils d'imagerie chimique, appelée microscopie photothermique vibrationnelle, ou microscopie VIP. Dans l'article de Nature Communications, nous avons mis au point un microscope photothermique à large champ dans l'infrarouge moyen pour visualiser le contenu chimique d'une particule virale de signal. Dans l'article de Science Advances, nous avons mis au point un nouveau microscope photothermique vibrationnel basé sur le processus Raman stimulé.

Y a-t-il eu des résultats inattendus ou surprenants dans l'un ou l'autre article ? Dans l'affirmative, comment ces résultats remettent-ils en question les connaissances ou les théories existantes en matière de microscopie ?

Le développement de la microscopie SRP était inattendu. Nous n'avions jamais pensé que l'effet Raman était suffisamment puissant pour la microscopie photothermique, mais nous avons changé d'avis en août 2021. Pour célébrer mon 50e anniversaire, mes étudiants et moi-même avons organisé une fête sur le thème du sport. Pendant les festivités, Yifan Zhu, le premier auteur de l'article paru dans Science Advances, s'est malheureusement blessé, ce qui a conduit son médecin à recommander une période de restriction de la mobilité de deux mois. Pendant sa convalescence, je lui ai demandé de calculer l'augmentation de la température dans le foyer d'un microscope SRS (diffusion Raman stimulée). Cet accident nous a permis de découvrir un effet photothermique Raman stimulé (SRP) important. Yifan et d'autres étudiants ont ensuite consacré deux ans au développement. C'est ainsi que la microscopie SRP a été inventée.

Les articles ont-ils identifié des limites ou des lacunes dans leurs résultats ? Comment ces limites peuvent-elles influer sur les implications globales de la recherche ?

Il est certain que rien n'est parfait. En poursuivant la microscopie SRP, nous avons découvert que chaque faisceau peut avoir une absorption, ce qui provoque un faible arrière-plan non Raman dans l'image SRP. Nous sommes en train de mettre au point un nouveau moyen d'éliminer ce fond.

Les résultats d'un article complètent-ils ou contredisent-ils les résultats de l'autre ? Quel est le rapport entre les deux ?

Les méthodes présentées dans ces deux articles sont complémentaires. La méthode WIDE-MIP permet de détecter les liaisons actives dans l'IR, tandis que la méthode SRP est sensible aux liaisons actives dans le Raman.

Les articles suggèrent-ils de nouvelles orientations pour la recherche future en microscopie qui pourraient avoir des implications significatives à long terme ?

Oui, en effet. Ces deux articles indiquent une nouvelle classe de microscopie chimique appelée microscopie photothermique vibrationnelle ou microscopie VIP. La microscopie VIP offre un moyen très sensible de sonder des liaisons chimiques spécifiques ; nous pouvons donc l'utiliser pour cartographier des molécules de très faibles concentrations sans marquage par colorant.

Ces technologies d'imagerie sont-elles actuellement disponibles ou utilisées par d'autres chercheurs en dehors de votre laboratoire ?

Nous avons déposé des brevets provisoires pour les deux technologies par l'intermédiaire du bureau de développement technologique de l'université. Au moins deux entreprises sont intéressées par la commercialisation de la technologie SRP et l'une d'entre elles est également intéressée par la technologie WIDE-MIP.

Qui sont vos principaux collaborateurs de recherche ?

Dans l'article sur WIDE-MIP, les échantillons de virus sont fournis par John Connor, professeur agrégé de microbiologie aux National Emerging Infectious Diseases Laboratories de l'université de Boston. Le développement de la technologie WIDE-MIP se fait en collaboration avec Selim Ünlü, professeur d'ingénierie électrique et informatique à la faculté d'ingénierie de l'université. Il s'agit donc d'un travail de collaboration au sein de l'université de Boston.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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