Application de la nanoscopie MINFLUX dans les tissus biologiques : repousser les limites de résolution de la microscopie en fluorescence

Contexte académique

La microscopie en fluorescence joue un rôle crucial dans la recherche biologique, mais sa résolution est limitée par le phénomène de diffraction, atteignant généralement environ 200 nanomètres. Ces dernières années, les technologies de microscopie à super-résolution (super-resolution microscopy, SR) ont permis de dépasser cette limite, permettant aux chercheurs d’observer la distribution des molécules biologiques à l’échelle nanométrique. Cependant, dans les tissus biologiques complexes, en particulier dans les échantillons épais, les aberrations optiques, l’absorption et la diffusion de la lumière posent des défis majeurs pour les performances de la microscopie à super-résolution. Pour visualiser la distribution des protéines à l’échelle nanométrique dans des environnements physiologiques pertinents, les chercheurs explorent de nouvelles techniques d’imagerie.

La nanoscopie MINFLUX (minimal photon fluxes) est une technique émergente d’imagerie optique qui combine les avantages des approches de super-résolution ciblées et stochastiques, permettant une imagerie en fluorescence à résolution nanométrique avec des flux de photons extrêmement faibles. Cependant, l’application de la technologie MINFLUX à des échantillons de tissus biologiques épais, en particulier des tranches de tissu cérébral, reste confrontée à de nombreux défis. Cette étude vise à explorer les performances de la technologie MINFLUX dans les tissus biologiques, en particulier pour l’imagerie à résolution nanométrique dans les tissus profonds.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Thea Moosmayer, Kamila A. Kiszka et leurs collaborateurs, issus de l’Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires (Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences) et de l’Université de Göttingen, entre autres institutions. L’article a été publié le 20 décembre 2024 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), sous le titre “MINFLUX fluorescence nanoscopy in biological tissue”.

Processus de recherche et résultats

1. Conception expérimentale et amélioration de l’équipement

Pour réaliser l’imagerie MINFLUX dans les tissus biologiques, l’équipe de recherche a apporté plusieurs améliorations au microscope MINFLUX existant. Tout d’abord, ils ont utilisé un objectif à immersion dans l’huile de silicone pour améliorer l’appariement des indices de réfraction et réduire les aberrations. Ensuite, ils ont développé un système de verrouillage de focalisation adaptable en profondeur, capable de stabiliser la position de l’échantillon à différentes profondeurs, garantissant une précision de localisation à l’échelle nanométrique. De plus, l’équipe a introduit un schéma d’activation progressive, augmentant progressivement la puissance du laser d’activation pour améliorer l’efficacité de détection des molécules fluorescentes.

2. Préparation et imagerie des échantillons tissulaires

L’équipe de recherche a utilisé des tranches de tissu cérébral de souris comme échantillons expérimentaux, d’une épaisseur comprise entre 50 et 300 micromètres. Ils ont choisi le cortex et l’hippocampe comme régions d’intérêt et ont effectué un pré-balayage avec un microscope confocal pour identifier les zones d’intérêt. Ensuite, ils ont utilisé le microscope MINFLUX pour réaliser une imagerie à résolution nanométrique de ces régions.

3. Performances de l’imagerie MINFLUX

L’équipe a d’abord réalisé l’imagerie de la protéine Caveolin-1 à des profondeurs tissulaires peu importantes (0 à 80 micromètres). Les résultats ont montré que même à une profondeur de 80 micromètres, MINFLUX pouvait atteindre une précision de localisation inférieure à 5 nanomètres. Avec l’augmentation de la profondeur, le rapport signal sur bruit (SBR) a diminué progressivement, mais MINFLUX a maintenu une précision de localisation élevée même dans les tissus profonds.

Ensuite, l’équipe a réalisé l’imagerie des protéines postsynaptiques PSD95 et de l’actine. Les résultats ont montré que MINFLUX pouvait clairement distinguer la distribution de ces protéines dans les tissus profonds, avec une précision de localisation inférieure à 10 nanomètres. De plus, l’équipe a démontré l’imagerie MINFLUX à deux couleurs, permettant d’observer simultanément la distribution de PSD95 et de l’actine, révélant ainsi les détails nanométriques de la structure synaptique.

4. Imagerie dans les tissus vivants

Pour explorer le potentiel de MINFLUX dans l’imagerie des tissus vivants, l’équipe a réalisé l’imagerie de tranches de tissu cérébral aigu. Les résultats ont montré que les performances de MINFLUX dans les tissus vivants étaient similaires à celles dans les tissus fixés, avec une précision de localisation légèrement inférieure mais toujours à l’échelle nanométrique. Cela suggère que la technologie MINFLUX pourrait être utilisée à l’avenir pour l’imagerie à résolution nanométrique dans les tissus vivants.

5. Imagerie MINFLUX en trois dimensions

L’équipe a également développé un nouveau schéma d’imagerie MINFLUX en trois dimensions, permettant une localisation nanométrique dans des environnements tissulaires complexes. Ils ont utilisé un mode d’imagerie combinant une focalisation régulière et un faisceau en forme d’anneau, permettant d’atteindre une précision de localisation élevée dans les tissus profonds. Grâce à cette technique, l’équipe a réussi à réaliser une imagerie tridimensionnelle des protéines postsynaptiques PSD95 et des récepteurs AMPA, révélant la distribution spatiale de ces protéines dans la synapse.

Conclusion et signification

Cette étude démontre que la nanoscopie MINFLUX peut réaliser une imagerie à résolution nanométrique dans des tissus biologiques épais, en particulier dans les tranches de tissu cérébral, avec une précision de localisation inférieure à 10 nanomètres. Cette technologie repousse les limites de résolution de la microscopie en fluorescence traditionnelle dans l’imagerie tissulaire, offrant un nouvel outil pour étudier la distribution des protéines dans des environnements physiologiques pertinents.

Le potentiel d’application de la technologie MINFLUX ne se limite pas aux tissus fixés ; ses capacités d’imagerie dans les tissus vivants ouvrent également de nouvelles perspectives pour la recherche en neurosciences. Grâce à l’imagerie à résolution nanométrique, les chercheurs peuvent approfondir leur compréhension des mécanismes moléculaires de la structure et de la fonction synaptiques, en particulier des changements dynamiques des protéines lors des processus d’apprentissage et de mémoire.

Points forts de la recherche

1. Résolution nanométrique : La technologie MINFLUX a atteint une précision de localisation inférieure à 10 nanomètres dans des tissus biologiques épais, repoussant les limites de résolution de la microscopie en fluorescence traditionnelle.
2. Imagerie en profondeur : L’équipe a maintenu des performances d’imagerie élevées à une profondeur tissulaire de 80 micromètres, offrant la possibilité d’une imagerie à résolution nanométrique dans les tissus profonds.
3. Imagerie à deux couleurs et en trois dimensions : La technologie MINFLUX permet d’observer simultanément la distribution de plusieurs protéines et de réaliser une localisation tridimensionnelle à l’échelle nanométrique, offrant une nouvelle perspective pour l’étude des structures biologiques complexes.
4. Imagerie dans les tissus vivants : L’équipe a démontré le potentiel de MINFLUX dans l’imagerie des tissus vivants, offrant un nouvel outil pour la recherche en neurosciences.

Perspectives futures

Avec le développement continu de la technologie MINFLUX, les chercheurs pourront réaliser une imagerie à résolution nanométrique dans des tissus biologiques plus complexes, en particulier pour observer les changements dynamiques des protéines dans les tissus vivants. De plus, en combinant des schémas d’imagerie automatisés, la technologie MINFLUX pourrait jouer un rôle plus important dans les domaines des neurosciences et de la biologie cellulaire, aidant les chercheurs à mieux comprendre la distribution et la fonction des molécules biologiques.

Cette étude fournit de nouvelles techniques pour l’imagerie à résolution nanométrique des tissus biologiques, offrant une valeur scientifique importante et des perspectives d’application prometteuses.