Imagerie de la bioluminescence en détectant le contraste hémodynamique localisé des vaisseaux photosensibilisés

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Rapport académique : Une nouvelle technologie IRM permet l’imagerie bioluminescente en détectant l’hémodynamique locale des vaisseaux sanguins sensibles à la lumière

Introduction au contexte académique

Principe d’imagerie Les sondes bioluminescentes sont largement utilisées pour surveiller des processus biomédicaux et des cibles cellulaires in vivo chez les animaux. Cependant, l’absorption et la diffusion de la lumière visible par les tissus limitent considérablement la profondeur et la résolution de la détection bioluminescente. Cela est particulièrement vrai dans le cerveau où la propagation de la lumière de courte longueur d’onde est bloquée par le crâne, limitant ainsi les données de l’imagerie bioluminescente (Bioluminescence Imaging, BLI) aux sources superficielles et à des projections bidimensionnelles, manquant d’informations de profondeur.

Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont développé des méthodes d’imagerie comme la tomographie optoacoustique et d’autres méthodes basées sur la reconstruction de la diffusion lumineuse, nécessitant des connaissances a priori et des informations anatomiques pour l’enregistrement des modes d’imagerie indépendants. Une autre approche consiste à convertir localement les sorties bioluminescentes en d’autres types de signaux, permettant leur détection par des méthodes d’imagerie des tissus profonds telles que la tomographie par rayons X, les ultrasons ou l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Bien que certaines sondes puissent convertir la lumière en signaux détectables par IRM, elles manquent de la résolution et de la sensibilité nécessaires pour permettre des applications BLI in vivo.

Source de l’article

Cette étude a été publiée dans Nature Biomedical Engineering, menée par une équipe de recherche du département de bio-ingénierie, du département des sciences cérébrales et cognitives, et du département de sciences et d’ingénierie nucléaire du Massachusetts Institute of Technology (MIT). Des contributions sont également venues du Max Planck Institute for Biological Cybernetics et du University of Texas Southwestern Medical Center. Robert Ohlendorf et Nan Li sont les co-premiers auteurs, et Alan Jasanoff est l’auteur correspondant de l’article.

Processus de recherche et méthodes

a) Processus de recherche

Le concept central de cette étude est l’utilisation de protéines photoactivées exprimées par les photorécepteurs vasculaires (bpac) pour détecter les sources bioluminescentes et générer des signaux hémodynamiques. Le processus spécifique est le suivant :

  1. Caractérisation in vitro de la protéine bpac photoréceptrice : Tout d’abord, la sortie de lumière de diverses luciférases bioluminescentes bleues a été mesurée, notamment NanoLuc, la luciférase Gluud améliorée (Gluc) et Glucm23. Glucm23 étant la plus lumineuse, elle a été choisie comme source de lumière bioluminescente pour les expériences ultérieures.

  2. Expériences cellulaires : Des cellules d’ovaires de hamster chinois (CHO) et des cellules musculaires lisses vasculaires (VSMCs) ont été sélectionnées pour étudier la faisabilité de l’activation du flux hémodynamique par la signalisation cAMP induite par la protéine bpac.

  3. Expériences in vivo : illumination et IRM : Le virus adénoviral contenant bpac a été injecté dans des régions spécifiques du cerveau de rats, suivi d’expériences d’illumination. Des fibres optiques ont été utilisées pour transmettre la lumière bleue, réalisant ainsi une modification significative du flux sanguin local après activation par la lumière.

  4. Expériences in vivo : détection des cellules transplantées exprimant la bioluminescence : Des cellules exprimant Glucm23 ont été implantées dans des régions cérébrales transfectées par bpac et la protéine bioluminescente. Les variations de l’hémodynamique induites par les cellules bioluminescentes ont été détectées par des scanners IRM continus.

b) Principaux résultats de l’étude

  1. Résultats de la caractérisation in vitro : La luminosité de Glucm23 a été trouvée supérieure à celle de NanoLuc et Gluc. Cela a conduit à la sélection de Glucm23 pour les études ultérieures. Les expérimentations ont également montré que la protéine bpac pouvait produire efficacement du cAMP en réponse à la lumière dans les VSMCs.

  2. Expériences in vitro avec bpac dans les VSMCs : Les résultats ont démontré que la production de cAMP par la lumière pouvait induire des signaux intracellulaires significatifs sous des conditions d’illumination.

  3. Résultats des expériences d’illumination in vivo : En introduisant la protéine bpac dans les vaisseaux sanguins du cerveau de rats, des signaux significatifs ont été détectés dans la région illuminée sous haute intensité magnétique, démontrant la faisabilité de la détection des signaux hémodynamiques induits par la lumière.

  4. Détection de cellules transplantées exprimant la bioluminescence : La transplantation de cellules bioluminescentes dans les zones cérébrales exprimant bpac a permis de capturer avec succès les variations de l’hémodynamique induites par la lumière via des scans IRM continus, prouvant l’efficacité de la détection des signaux bioluminescents dans les tissus profonds du cerveau.

Conclusion et portée de la recherche

L’étude a démontré que l’activation des photorécepteurs dans les muscles lisses vasculaires par la lumière permet de transformer un signal bioluminescent en signal hémodynamique, lequel peut être détecté par IRM. Cette méthode étend considérablement l’application des sondes bioluminescentes dans les tissus profonds, particulièrement dans le domaine de la recherche en neurosciences.

Le large éventail d’applications actuelles de la bioluminescence en biologie fondamentale et en recherche préclinique souligne l’importance scientifique et pratique de cette étude. Par exemple, elle pourrait permettre une exploration plus approfondie des processus neurologiques, une détection plus précise des tumeurs, et une meilleure surveillance de l’angiogenèse.

Points forts de la recherche

  1. Innovation technologique : Transformer les signaux bioluminescents en signaux hémodynamiques détectables a fondamentalement surmonté la limitation de la propagation de la lumière dans les tissus profonds.

  2. Large potentiel d’application : La méthode est applicable non seulement à la recherche en neurosciences, mais également à d’autres domaines nécessitant des techniques d’imagerie des tissus profonds.

  3. Résolution et profondeur d’imagerie : L’utilisation d’une IRM à haute intensité magnétique a permis une imagerie à haute résolution et profondeur, capable de détecter efficacement les signaux bioluminescents dans les tissus profonds du cerveau.

Par ailleurs, l’étude révèle des possibilités d’optimisation et d’amélioration futures, comme une distribution plus homogène de la protéine photoréceptrice pour améliorer la précision et la sensibilité de l’imagerie. Les travaux futurs de l’équipe exploreront la distribution plus large de la protéine photoréceptrice dans diverses catégories de tissus, ainsi que la faisabilité de la détection des signaux sous différents modes d’imagerie.

Résumé

Cette étude a innové en permettant la conversion des signaux bioluminescents en signaux hémodynamiques détectables par IRM. Cette technologie révolutionnaire ouvre de nouvelles voies pour les applications des sondes lumineuses dans les tissus profonds et fournit de nouvelles perspectives pour des techniques d’imagerie biomédicale plus complètes et précises.