Des nanoparticules organiques ultra-brillantes pour l'imagerie biologique en profondeur

Publié par Redbran le 01/05/2021 à 13:00
Source: CNRS INC

© Mireille Blanchard-Desce
La spectroscopie de fluorescence est un outil d'imagerie indispensable à la recherche en biologie, notamment en neurosciences. La clé pour observer des échantillons de tissus vivants en profondeur réside dans les performances des sondes fluorescentes utilisées.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux) ont synthétisé de nouvelles nanoparticules fluorescentes à base de molécules organiques, stables,ultra-brillantes et émettant dans le rouge pour que leur fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) ne soit pas trop absorbée par les tissus voisins et reste ainsi mesurable. En collaboration avec le Laboratoire photonique, numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) et nanosciences (CNRS/Université de Bordeaux/IOGS) et l'Interdisciplinary institute for neuroscience (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et...) (CNRS/Université de Bordeaux), ils ont ainsi pu recueillir des images de cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite...) de rats à des profondeurs encore jamais explorées (de l'ordre de 150 µm). Résultats à retrouver dans la revue Advanced Materials.

Dans le cerveau, l'espace extracellulaire entourant les neurones et les cellules "gliales" qui les environnent contient des ions, des protéines et diverses autres molécules essentielles à leur fonctionnement. Malgré sa contribution majeure au fonctionnement du cerveau, l'espace extracellulaire reste peu exploré, principalement en raison de l'absence des techniques suffisamment performantes pour obtenir des images en profondeur.

Pour réaliser des images en profondeur de cette zone du cerveau, on utilise l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) par fluorescence qui nécessite l'introduction dans l'espace extracellulaire de nanoparticules fluorescentes stables, très brillantes et qui émettent dans un domaine de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) élevées (i.e. dans le rouge voir la proche IR) pour que le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) qu'elles émettent ne soit pas trop absorbé ou diffusé par les tissus environnants et que l'on puisse ainsi l'observer.

Jusqu'à présent, seules des nanoparticules inorganiques fluorescente telles que les quantum-dots (QD), potentiellement toxiques quand ils contiennent des métaux lourds, ou les nanotubes de carbones (NTC), répondaient à ce cahier des charges (Un cahier des charges est un document visant à définir exhaustivement les spécifications de base...). Mais ils présentent une limitation de taille: n'étant pas intrinsèquement solubles dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), les QD et NTC doivent être fonctionnalisés en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) ou recouverts d'une couche de polymères pour être utilisables en bio-imagerie.


Schéma de la brique organique fluorescente permettant la fabrication de nanoparticules dont les propriétés, brillance, stabilité, couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...), taille et furtivité (La furtivité est la caractéristique d'un engin militaire conçu pour avoir une signature réduite...), permettent leur suivie à l'échelle de la particule unique en profondeur dans des tranches de cerveau de rats.
© Mireille Blanchard-Desce

Alliant leurs expertises en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...), photonique et neurosciences, des scientifiques de l'Institut des sciences moléculaires, du Laboratoire photonique numérique et nanosciences et de l'Institut Interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de Neurosciences ont synthétisé de nouvelles nanoparticules entièrement organiques dans le but d'observer cette zone extracellulaire dans des coupes de cerveau de rats. Ces nanoparticules ont été développées à partir de molécules organiques fluorescentes dont la structure chimique permet spécifiquement de répondre aux besoins de la bio-imagerie. En effet, ces molécules absorbent fortement la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) et la réémettent dans le rouge. Leur design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets,...) a été optimisé pour limiter les interactions intermoléculaires qui pourraient être délétères à leur fluorescence lors de leur agrégation en nanoparticules. Nanoparticules non toxiques, elles sont solubles dans l'eau, donc faciles à mettre en oeuvre.

Les scientifiques ont montré que, bien que de toute petite taille, elles présentent une brillance exceptionnelle, supérieure à celle des nanoparticules fluorescentes actuellement utilisées en bio-imagerie et une photostablité bien meilleure que celle des colorants fluorescents. Grâce à ces propriétés et à leur furtivité, elles ont permis de sonder l'espace extracellulaire de tranches de cerveau de rats jusqu'à 150 µm de profondeur, profondeur supérieure à celle atteinte avec des QD. Ces travaux pionniers ouvrent des perspectives pour le design d'outils fluorescents entièrement organiques pour l'imagerie de tissus en profondeur, et notamment pour l'étude de l'espace extracellulaire du cerveau.

Référence:
M. Rosendale, J. Flores, C. Paviolo, P. Pagano, J. Daniel, J. Ferreira, J.-B. Verlhac, L. Groc, L. Cognet & M. Blanchard-Desce.
A Bottom-Up Approach to Red-emitting Molecular-Based Nanoparticles with Naturally Stealth Properties and their Use for Single Particle Tracking Deep in Brain Tissue
Advanced Materials 2021
https://doi.org/10.1002/adma.202006644

Contacts:
- Mireille Blanchard-Desce - Institut des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux) - mireille.blanchard-desce at u-bordeaux.fr
- Laurent Cognet - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire photonique, numérique et nanosciences - laurent.cognet at u-bordeaux.fr
- Laurent Groc - Chercheur à l'Interdisciplinary institute for neuroscience - laurent.groc at u-bordeaux.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - Institut de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) - inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC - inc.communication at cnrs.fr
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