Comparaison entre RESORT et une technique d’imagerie antérieure connue sous le nom de diffusion Raman stimulée (SRS). Bien que la différence puisse sembler subtile à première vue, l’image plus nette offerte par RESORT peut être d’une grande utilité pour les chercheurs qui identifient et étiquettent les composants des cellules, tels que les mitochondries. Crédit : ©2023 Ozeki et al.
Une équipe de chercheurs a mis au point une nouvelle technique d’imagerie appelée RESORT, qui combine les avantages de la fluorescence à super-résolution et de l’imagerie vibrationnelle. RESORT, qui utilise la diffusion Raman par laser, permet une imagerie à haute résolution spatiale sans endommager les échantillons, ce qui permet d’observer des systèmes vivants dans des détails exceptionnels. Cette méthode innovante pourrait faire progresser de manière significative notre compréhension des processus biologiques complexes.
Il existe plusieurs façons d’imager des échantillons biologiques au niveau microscopique, et chacune d’entre elles présente des avantages et des inconvénients. Pour la première fois, une équipe de chercheurs, dont ceux de l’université de Tokyo, a combiné les aspects de deux des principales techniques d’imagerie pour créer une nouvelle méthode d’imagerie et d’analyse des échantillons biologiques. Son concept, connu sous le nom de RESORT, ouvre la voie à l’observation des systèmes vivants avec un niveau de détail sans précédent.
Depuis que l’humanité est capable de manipuler du verre, nous utilisons des dispositifs optiques pour observer le monde microscopique avec toujours plus de détails. Plus nous pouvons voir, plus nous pouvons comprendre, d’où la nécessité d’améliorer les outils que nous utilisons pour explorer le monde qui nous entoure et qui se trouve à l’intérieur de nous. Les techniques contemporaines d’imagerie microscopique vont bien au-delà de ce que les microscopes traditionnels peuvent offrir. Deux technologies de pointe sont l’imagerie par fluorescence à super-résolution, qui offre une bonne résolution spatiale, et l’imagerie vibrationnelle, qui compromet la résolution spatiale mais peut utiliser une large gamme de couleurs pour aider à étiqueter de nombreux types de constituants dans les cellules.
Diagramme illustrant la vue d’ensemble du système. Tout d’abord, l’échantillon est marqué avec la sonde Raman photosensible. Il est ensuite irradié par des impulsions laser infrarouges bicolores, de la lumière ultraviolette et un faisceau spécial de lumière visible en forme de beignet pour limiter la zone où la diffusion Raman peut se produire. La sonde peut ainsi être détectée en un point très précis, ce qui permet d’obtenir des images à haute résolution spatiale. Crédit : ©2023 Ozeki et al.
« Les limites de ce type de techniques d’imagerie nous ont incités à essayer de créer quelque chose de mieux, et avec RESORT, nous sommes convaincus d’y être parvenus », a déclaré le professeur Yasuyuki Ozeki du Centre de recherche pour les sciences et technologies avancées de l’Université de Tokyo. RESORT est l’abréviation de « reversible saturable optical Raman transitions » (transitions Raman optiques saturables réversibles) et combine les avantages de la fluorescence de super-résolution et de l’imagerie vibrationnelle sans hériter des inconvénients de l’une ou de l’autre. Il s’agit d’une technique laser qui utilise la diffusion Raman, une interaction spéciale entre les molécules et la lumière qui permet d’identifier ce qui se trouve dans un échantillon sous le microscope. Nous avons réalisé avec succès l’imagerie RESORT des mitochondries dans les cellules pour valider la technique ».
L’imagerie RESORT comporte plusieurs étapes et, bien qu’elle puisse sembler compliquée, la configuration est moins complexe que celle des techniques qu’elle vise à remplacer. Tout d’abord, les composants spécifiques de l’échantillon à imager doivent être marqués, ou colorés, avec des produits chimiques spéciaux appelés sondes Raman photosensibles, dont la diffusion Raman peut être contrôlée par les différents types de lumière laser utilisés par RESORT. Ensuite, l’échantillon est placé dans un appareil optique utilisé pour éclairer correctement l’échantillon et en construire une image. Pour ce faire, l’échantillon est irradié par des impulsions laser infrarouges bicolores pour détecter la diffusion Raman, par de la lumière ultraviolette et par un faisceau spécial de lumière visible en forme de beignet. Ensemble, ils limitent la zone où la diffusion Raman peut se produire, ce qui signifie que l’étape finale, l’imagerie, peut détecter la sonde à un point très précis, ce qui conduit à une haute résolution spatiale.
« Il ne s’agit pas seulement d’obtenir des images à plus haute résolution d’échantillons microscopiques ; après tout, les microscopes électroniques peuvent produire des images beaucoup plus détaillées », explique M. Ozeki. « Cependant, les microscopes électroniques endommagent ou entravent nécessairement les échantillons qu’ils observent. Grâce à l’ajout de nouvelles couleurs à la palette des sondes Raman, RESORT sera en mesure d’imager de nombreux composants d’échantillons vivants en action afin d’analyser des interactions complexes comme jamais auparavant. Cela contribuera à une meilleure compréhension des processus biologiques fondamentaux, des mécanismes pathologiques et des interventions thérapeutiques potentielles.
L’objectif principal de l’équipe était d’améliorer l’imagerie microscopique pour l’utiliser dans le domaine de la recherche médicale et les domaines connexes. Mais les progrès réalisés dans la conception du laser pourraient également être utilisés dans d’autres applications laser nécessitant une puissance élevée ou un contrôle précis, comme la science des matériaux.
Référence : « Super-resolution vibrational imaging based on photoswitchable Raman probe » par Jingwen Shou, Ayumi Komazawa, Yuusaku Wachi, Minoru Kawatani, Hiroyoshi Fujioka, Spencer John Spratt, Takaha Mizuguchi, Kenichi Oguchi, Hikaru Akaboshi, Fumiaki Obata, Ryo Tachibana, Shun Yasunaga, Yoshio Mita, Yoshihiro Misawa, Ryosuke Kojima, Yasuteru Urano, Mako Kamiya et Yasuyuki Ozeki, 16 juin 2023, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.ade9118
Ce travail a été soutenu par la JSPS KAKENHI Grant Number JP20H05724, JP20H05725, JP20H05726, JP19K22242, JP20H02650, JP22H02193, et JP19J22546, par le JSPS Core-to-Core Program, A. Advanced Research Networks, par JST CREST JPMJCR1872, par Nakatani Foundation Grant for Technology Development Research (à Y.O.), par The Naito Foundation (à M.K.), par The Mitsubishi Foundation (à M.K.), par Daiichi Sankyo Foundation of Life (à M.K.), et par la JST CREST JPMJCR1872.), par la Fondation Mitsubishi (à M.K.), par la Fondation Daiichi Sankyo pour les sciences de la vie (à M.K.), par l’infrastructure de recherche avancée pour les matériaux et la nanotechnologie au Japon (ARIM) du ministère de l’éducation, de la culture, des sports, de la science et de la technologie (MEXT) JPMXP1222UT1055, et par le programme phare Quantum Leap du MEXT JPMXS0118067246. J.S. bénéficie d’une bourse de recherche internationale de la Société japonaise pour la promotion de la science.