Le microscope matriciel : un changement de paradigme pour l’imagerie en profondeur des tissus biologiques
Des chercheurs ont mis au point un microscope innovant capable de capturer des images 3D des tissus à haute résolution et en profondeur. Parus dans Nature Photonics, ces travaux offrent de nouvelles solutions pour surmonter les limitations traditionnelles de l’imagerie microscopique.
La microscopie non-invasive exploite la diffusion de la lumière pour obtenir une image tridimensionnelle des tissus biologiques. Cependant, la propagation de la lumière est singulièrement altérée par le caractère fortement hétérogène des tissus qui brouille totalement les images microscopiques en profondeur. Inspirée par l’astronomie, l'optique adaptative a été développée pour compenser ces aberrations en microscopie, mais la cadence d'images associée et la profondeur de pénétration restent extrêmement limitées pour l'imagerie 3D.
Des chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris-PSL) ont mis au point un microscope révolutionnaire permettant d’acquérir des images tri-dimensionnelles des tissus sur des profondeurs millimétriques à une résolution subcellulaire (250 nm) et à haute cadence (1 à 200 Hz). Ce changement de paradigme est basé sur une acquisition ultra-rapide de la matrice de réflexion à l’aide d’une illumination parcimonieuse de l’échantillon et une mesure interférométrique de la lumière réfléchie à plusieurs longueurs d'onde. Le processus de focalisation de la lumière est optimisé en post-traitement pour n'importe quel voxel du milieu à l’aide d’algorithmes intelligents permettant de s’affranchir des problèmes d’aberrations et de diffusion multiple qui altéraient jusque-là les performances des microscopes conventionnels.
Ces travaux ouvrent la voie à un microscope entièrement numérique permettant une inspection in-vivo quantitative et profonde des tissus en temps réel. Les applications vont du contrôle des embryons dans le processus de fécondation in-vitro à celui des organoïdes pour des applications biomédicales, en passant par l’ophtalmologie (image haute-résolution de la cornée et ultra-profonde de la rétine) et la dermatologie (contrôle en profondeur des mélanomes).
L’imagerie matricielle fait également l’objet d’un article à paraître dans la revue Nature Communications avec une démonstration de l’extension significative de la profondeur de pénétration en tomographie à cohérence optique grâce à la maîtrise des chemins de diffusion multiple. Ces travaux ont bénéficié d’une subvention ERC Consolidator (n° 819261) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne, et ont donné lieu au dépôt d’un brevet par le CNRS, publié en janvier 2024 (WO2024017670A1). Suite à ces travaux, une nouvelle start-up, nommée OWLO, va être créée en septembre 2024 afin de développer et commercialiser ce microscope révolutionnaire.
b Image 3D standard de la cornée brouillée par les phénomènes d’aberrations et diffusion multiple.
c Image matricielle de la cornée révélant l’arrangement 3D de structures invisibles sur l’image initiale, tels que les nerfs et les fibroblastes cornéens pris en sandwich entre les couches de lamelles de collagène.
© Victor Barolle and Flavien Bureau
Références
Multi-Spectral Reflection Matrix for Ultra-Fast 3D Label-Free Microscopy.
P. Balondrade, V. Barolle, N. Guigui, E. Auriant, N. Rougier, C. Boccara, M. Fink and A. Aubry.
Nature Photonics, le 16 août 2024.
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01479-y
Article disponible sur le lien suivant : https://rdcu.be/dQ6Sc
Harnessing Forward Multiple Scattering for Optical Imaging Deep Inside an Opaque Medium.
U. Najar, V. Barolle, P. Balondrade, M. Fink, C. Boccara and A. Aubry.
Nature Communications, le 27 août 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51619-9