Haute Résolution Optique pour les Spécimens Non-marqués – HORUS

Le projet s’appuie sur l’utilisation de méthodes de reconstruction avancées, pour fournir des images à haute résolution et à faible bruit, calibrées en indice, et en accélérant les acquisitions, pour permettre l’utilisation de la MTD sur des spécimens vivants bougeant rapidement. Pour ce faire, le projet associe 3 équipes, spécialistes respectives de leurs domaines. Le laboratoire MIPS-Mulhouse développe la technique MTD depuis une dizaine d’années, et a réalisé plusieurs premières mondiales dans ce domaine. Ce groupe apportera donc son expérience en instrumentation, unique en France dans ce domaine, avec son prototype, mais aussi avec le système semi-rapide qu’il a déjà développé, destiné à l’IGBMC-Strasbourg pour l’étude d’infections virales par le HIV, en couplage avec la microscopie de fluorescence confocale, et la microscopie électronique à balayage. Le LaHC-St Etienne travaille sur la résolution de problèmes inverses et la co-conception de dispositifs d'imagerie, avec une forte expérience en imagerie non conventionnelle. En particulier, le groupe a développé des méthodes statistiques rigoureuses basées sur des problèmes inverses pour l’holographie numérique. La MTD étant une extension de la microscopie holographique numérique, les savoir-faire de ce groupe permettront de repenser en profondeur les approches de reconstruction d’images utilisées jusqu’à présent. L'équipe Lamour-Ruff de l'IGBMC se concentre sur les mécanismes moléculaires régissant le transport, le traitement et les modifications des acides nucléiques. Ses cibles actuelles sont des complexes nucléoprotéiques impliqués dans l'intégration de l'ADN rétroviral et des topoisomérases d'ADN eucaryotes. Cette équipe bénéficiera du soutien du Centre d'imagerie de l'IGBMC, une plateforme IBiSA, qui fournit de nombreux équipements aux chercheurs de l'IGBMC.

Un microscope rapide a été développé à l'IRIMAS à l'aide d'éléments de prototypage optique.
Cet instrument a été cloné pour utilisation sur une plate-forme d'imagerie à l'IGBMC.
Deux approches nouvelles de reconstructions des images ont été développées, basées sur une homotopie rapide, et sur le critère GSURE via la collaboration LaHC-IRIMAS.
Deux études sur l'optimisation de l'illumination en MTD ont été faites et publiées

Adapter les nouvelles méthodes de reconstruction pour une prise en main facilitée par les utilisateurs finaux.
Valider le système à l'IGBMC dans le cadre d'études sur le VIH
Finaliser l'addition d'une imagerie tomographique adaptée aux spécimens biréfringents

Denneulin L. , Momey F., Brault D., Debailleul, M., Taddese A. M., Verrier N., Haeberlé O. GSURE criterion for unsupervised regularized reconstruction in Tomographic Diffractive Microscopy. J. Opt. Soc. Am. A 39, pp. A52-A61 (2022)

J.-B. Courbot And B. Colicchio, A Fast Homotopy Algorithm For Gridless Sparse Recovery Inverse Problems, Vol. 37, p. 025002 (2021)

Asemare M. Taddese, N. Verrier, M. Debailleul, J.-B. Courbot, and O. Haeberlé, “Optimizing Sample Illumination Scanning in Transmission Tomographic Diffractive Microscopy”, Appl. Opt. 60, pp. 1694-1704 (2021)

Asemare M. Taddese, N. Verrier, M. Debailleul, J.-B. Courbot, and O. Haeberlé, “Optimizing Sample Illumination Scanning in 4Pi and Mirror-Assisted Tomographic Diffractive Microscopy” Appl. Opt. 60, pp. 7745-7753 (2021)

La microscopie optique 3D est un outil précieux dans de nombreux domaines, en particulier en biologie, grâce à ses propriétés uniques pour l'imagerie de spécimens vivants. Ces dernières années, d'énormes progrès ont été réalisés avec le développement des techniques d’illumination structurée, PALM/STORM, et STED. Cependant, pour des travaux devant se passer de marquage, la résolution est toujours limitée à environ 200 nm en pratique.
La microscopie tomographique diffractive (MTD) est une technique plus récente, qui calcule l'image de l'échantillon à partir du champ diffracté. Elle permet d'observer des spécimens non marqués en 3D, avec une résolution 2x meilleure qu’en microscopie conventionnelle.
Cette technique commence à se répandre, mais souffre encore de certaines limitations. Les hypothèses de reconstruction les plus couramment utilisées (approximation de Born par ex.) peuvent ne pas être satisfaites. Les reconstructions numériques sont contraintes. Ceci limite leur flexibilité, et les rend les mesures quantitatives très sensibles aux conditions d’observation (bruit…). Enfin, un grand nombre d’acquisitions est nécessaire pour reconstruire des images de haute qualité.

Le projet HORUS (High Optical Resolution for Unlabeled Sample) vise à développer des solutions pratiques pour contourner ces problèmes, et faciliter l’adoption de la MTD, en particulier en biologie. Le projet s’appuie sur l’utilisation de méthodes de reconstruction avancées, pour fournir des images à haute résolution et à faible bruit, calibrées en indice, et en accélérant les acquisitions, pour permettre l’utilisation de la MTD sur des spécimens vivants bougeant rapidement.

Pour ce faire, le projet associe 3 équipes, spécialistes respectives de leurs domaines.
Le laboratoire MIPS-Mulhouse développe la technique MTD depuis une dizaine d’années, et a réalisé plusieurs premières mondiales dans ce domaine. Ce groupe apportera donc son expérience en instrumentation, unique en France dans ce domaine, avec son prototype, mais aussi avec le système semi-rapide qu’il a déjà développé, destiné à l’IGBMC-Strasbourg pour l’étude d’infections virales par le HIV, en couplage avec la microscopie de fluorescence confocale, et la microscopie électronique à balayage.
Le LaHC-St Etienne travaille sur la résolution de problèmes inverses et la co-conception de dispositifs d'imagerie, avec une forte expérience en imagerie non conventionnelle. En particulier, le groupe a développé des méthodes statistiques rigoureuses basées sur des problèmes inverses pour l’holographie numérique. La MTD étant une extension de la microscopie holographique numérique, les savoir-faire de ce groupe permettront de repenser en profondeur les approches de reconstruction d’images utilisées jusqu’à présent.
L'équipe Lamour-Ruff de l'IGBMC se concentre sur les mécanismes moléculaires régissant le transport, le traitement et les modifications des acides nucléiques. Ses cibles actuelles sont des complexes nucléoprotéiques impliqués dans l'intégration de l'ADN rétroviral et des topoisomérases d'ADN eucaryotes. Cette équipe bénéficiera du soutien du Centre d'imagerie de l'IGBMC, une plateforme IBiSA, qui fournit de nombreux équipements aux chercheurs de l'IGBMC.

Le projet associe donc trois équipes très complémentaires, pour apporter des progrès significatifs en instrumentation (optimisation et accélération des acquisitions, auto-calibration des données), en reconstruction/traitement d’images (débruitage, reconstruction par approche problème inverse), appliquée à un cas pratique biologique de grand intérêt (infection par le HIV).
Associé à une plate-forme d’imagerie reconnue, nous pensons que ce projet pourrait avoir un impact scientifique fort sur tous les domaines utilisant la microscopie optique pour l’étude d’échantillons transparents (biologie, pétrographie, cristallographie...), mais aussi, à terme, dans des domaines technologiques comme l'inspection en micro-optique, ou pour le contrôle-qualité.