Nouvelle technique de microscopie pour de l'imagerie de super résolution 3D – TRIDIMIC

Notre compréhension du vivant nécessite des outils de mesure de plus en plus précis mais en même temps suffisamment rapides, robustes et fiables pour qu’un éventail large de conditions puisse être criblé. Cette notion de criblage est essentielle pour découvrir de nouveaux médicaments et aussi pour le chercheur académique qui peut alors fonder sa stratégie de recherche sur des approches systématiques extrêmement puissantes. Au cours des 2 dernières décennies, la microscopie photonique a entrepris une révolution initiée par l’apparition de caméras capables de mesurer avec une bonne gamme dynamique les composants des cellules. Le microscope est alors devenu un outil de mesure de concentrations intracellulaires. Depuis quelques années un deuxième cap a été franchi avec la détection dans la cellule de molécules uniques permettant leur comptage ainsi que leur localisation en 2 dimensions avec une précision de quelques dizaines de nanomètres.

Dans ce projet, Imagine Optic, leader mondial de l’optique adaptative (OA), et deux équipes académiques des départements de physique et biologie de l’Ecole Normale Supérieure (Paris) ont décidé d’unir leurs forces pour développer une nouvelle technique d’imagerie 3D permettant la localisation de particules uniques dans le volume d’une cellule vivante ou fixée avec une résolution isotrope de quelques nanomètres. En cas de succès, cette première étape de preuve de concept servira de socle pour conduire à l’industrialisation, à terme, d’un système commercial.

Au cours des 5 dernières années, plusieurs techniques permettant de gagner un facteur 10 dans la résolution latérale sur un échantillon biologique vivant ont été développées. Cependant, la résolution axiale offerte par ces différentes techniques reste, en général, un ordre de grandeur en dessous de la résolution latérale. L’OA permet à la fois de corriger les aberrations optiques résiduelles du système optique du microscope ainsi que celles engendrées par l’échantillon lui même et de modeler la réponse impulsionnelle d’un microscope (en anglais “Point Spread Function” PSF) pour la rendre hautement dissymétrique suivant l’axe Z, permettant ainsi un pointage axial très précis.

Nous proposons donc d’implanter un système d’OA sur un microscope d’imagerie de molécule unique standard (nous développerons un module indépendant qui est inséré entre le microscope et la caméra). Nous développerons également les outils logiciels de correction des aberrations optique, de modelage de la PSF et les traitements d’images nécessaire à la localisation 3D des émetteurs.

Nous validerons nos développements sur trois systèmes biologiques qui sont représentatifs de la majorité des configurations dans lesquelles l’imagerie 3D hyper-résolue de molécules uniques est importante. Nous mesurerons le trafic membranaire de récepteurs aux neurotransmetteurs en 3 dimensions puis nous utiliserons cette technologie pour cartographier l’organisation nucléaire de l’ARN polymérase II. Finalement, nous mettrons en place une approche d’imagerie à grande échelle visant à obtenir un comptage de molécules de l’ARN c-Fos dans une population de cellules de sorte à comprendre comment la régulation normale de cet ARN intervient dans le processus de développement des cancers.

D’un point vue sociétal, l’imagerie 3D à l’échelle nanométrique représente une outil nouveau et puissant vers la compréhension des mécanismes biologiques à l’origine de pathologies et donc à terme, pour le développement de nouveaux médicaments. En effet, notre connaissance du fonctionnement (ou dysfonctionnement) cellulaire est de plus en plus souvent reliée à une observation directe des morphologies et distribution moléculaire. Que ce soit en recherche fondamentale ou appliquée, notre nouvelle technique d’imagerie 3D hyper résolue représente un enjeu potentiel majeur pour le diagnostic biomédical et pour l’activité industrielle en pharmacologie, cosmétique et biotechnologie.