Des capteurs ultrasonores pour évaluer la concentration de calcium intracellulaire

Une équipe de l’Université Technique de Munich (TUM) et du Helmholtz Zentrum München a développé la première molécule sensorielle capable de visualiser la concentration de calcium chez les animaux vivants à l’aide d’une technique d’imagerie ultrasonore appelée optoacoustique.

JACS

Le calcium est un messager important des processus physiologiques. Dans les cellules nerveuses, par exemple, les ions calcium déterminent si les signaux sont relayés à d’autres cellules nerveuses. De même, la concentration de calcium dans les cellules musculaires commande la bonne contraction d’un muscle, y compris le myocarde.

Pouvoir évaluer les concentrations de calcium intracellulaire

« Parce que le calcium joue un rôle si important dans les organes essentiels tels que le cœur et le cerveau, il serait intéressant de pouvoir observer comment les concentrations de calcium évoluent profondément dans les tissus vivants et d’améliorer ainsi notre compréhension des processus pathologiques. Notre molécule sensorielle est un premier pas dans cette direction », explique Gil Gregor Westmeyer, professeur d’imagerie moléculaire à l’Université Technique de Munich (TUM) et responsable du groupe de recherche chez Helmholtz Zentrum München et principal acteur d’une étude sur ce thème publiée dans le Journal of the American Chemical Society (JACS).

Les caractéristiques de base de l’optoacoustique

Le capteur peut être mesuré en utilisant une méthode d’imagerie relativement nouvelle, non invasive, connue sous le nom d’optoacoustique, qui le rend approprié pour une utilisation chez les animaux vivants et plus tard peut-être aussi chez l’homme. La méthode est basée sur la technologie des ultrasons, qui est inoffensive pour les humains et n’utilise aucun rayonnement. Les impulsions laser réchauffent la molécule du capteur photo-absorbant dans les tissus. Cela provoque une brève expansion de la molécule, ce qui entraîne la génération de signaux ultrasonores. Les signaux sont ensuite détectés par des détecteurs à ultrasons et traduits en images tridimensionnelles.

Mesurer les variations de calcium au plus profond des tissus vivants

Lorsque la lumière traverse les tissus, elle est dispersée. Pour cette raison, les images sous un microscope optique deviennent floues à des profondeurs inférieures à un millimètre. Ceci met en évidence un autre avantage de l’optoacoustique: l’ultrason subit très peu de diffusion, produisant des images nettes même à des profondeurs de plusieurs centimètres. Ceci est particulièrement utile pour l’examen du cerveau, car les méthodes existantes ne pénètrent que de quelques millimètres en dessous de la surface du cerveau. Mais le cerveau a une structure tridimensionnelle si complexe avec diverses zones fonctionnelles que la surface n’en constitue qu’une petite partie. Les chercheurs visent donc à utiliser le nouveau capteur pour mesurer les changements de calcium au plus profond des tissus vivants. Ils ont déjà obtenu des résultats dans le cerveau des larves de poisson zèbre.

Création d’une molécule sensorielle inoffensive pour les tissus

De plus, les scientifiques ont conçu la molécule sensorielle de sorte qu’elle soit facilement absorbée par les cellules vivantes. De plus, elle est inoffensive pour les tissus et fonctionne sur la base d’un changement de couleur: dès que le capteur se lie au calcium, sa couleur change, ce qui à son tour modifie le signal optoacoustique induit par la lumière. De nombreuses méthodes d’imagerie pour visualiser les changements de calcium qui sont actuellement disponibles nécessitent des cellules génétiquement modifiées. Elles sont programmés, par exemple, pour les rendre fluorescentes chaque fois que la concentration de calcium dans la cellule change, ce qui les rend inopérables chez l’homme.

Le nouveau capteur surmonte cette contrainte, disent les chercheurs. À l’avenir, ils prévoient d’affiner davantage les propriétés de la molécule, permettant ainsi de mesurer les signaux dans des couches de tissus encore plus profondes. À cette fin, l’équipe dirigée par Gil Gregor Westmeyer doit générer d’autres variantes de la molécule qui absorbent la lumière d’une longueur d’onde plus grande que celle qui ne peut être perçue par l’œil humain.

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