NODES est un projet de recherche qui étudie de nouvelles techniques basées sur l’optique pour améliorer des observations dans le secteur biomédical. Grâce à cette étude, la collaboration croissante entre biologistes et physiciens se scelle davantage et accroît un axe de recherche grandissant au sein d’Université Côte d’Azur, la biophotonique. Pour contribuer au développement cette jeune science couplant la biologie à la photonique, le présent s’articule autour de deux activités scientifiques complémentaires : l’amplification de faibles signaux de fluorescence et la détection tout-optique de la déformation des cellules.
Les technologies optiques, telle que la microscopie, ont joué un rôle important dans l'étude des échantillons biologiques. Ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques visant à fournir aux sciences de la vie une gamme d'outils de plus en plus perfectionnée est apparue, et ceci, tant à l'échelle micrométrique qu'à l'échelle sub-micrométrique.
Ces outils performants sont également venus compléter la palette des méthodes d'investigation non invasives. Suite à ces progrès, une nouvelle science a fait son apparition : la biophotonique. Cette discipline alliant la biologie et la photonique consiste à manipuler la lumière pour analyser des objets biologiques tout en minimisant les effets induits par les rayonnements. Elle permet aussi de modifier les objets biologiques et d’utiliser les structurations chimiques telle que l’hémoglobine et/ou physiques, l’iridescence du vivant pour modifier le comportement de la lumière.
L'objectif du projet NODES est de soutenir l’émergence des activités de recherche dans le domaine de la biophotonique à Université Côte d’Azur.
Pour assurer le développement de cette thématique de recherche, le présent projet propose de contribuer à l’étude de deux activités scientifiques complémentaires. En premier lieu, l’amplification de la lumière pour des applications en microscopie sur cellule. En second lieu, l’élaboration d’un nouveau type d’approche de microscopie pour détecter la déformation des cellules.
Cette technique consiste à effectuer le marquage de cellules ou de protéines par un composé chimique fluorescent appelé un fluorophore. Les objets biologiques ainsi marqués s’illuminent en absorbant la lumière d’une longueur d'onde spécifique.
A titre d’exemple on peut citer le marquage des molécules d'ADN avec le DAPI (4',6'-diamidino-2-phénylindole). Illuminée avec de la lumière ultraviolette, cette molécule fluorescente capable de se lier fortement à l'ADN réémet intensément une lumière bleue.
Cependant, la détection de certains signaux fluorescents reste difficile en analyse biologique comme c’est le cas pour les gènes rarement exprimés. Le projet NODES vise à chercher des solutions biocompatibles pour amplifier considérablement le signal de fluorescence en vue d’améliorer la détection optique de molécules.
Pour atteindre cet objectif, une équipe de chercheurs d’Université Côte d’Azur s’est constituée. Il s’agit de physiciens (INPHYNI), biologistes (IPMC) et ingénieurs de la Plateforme de Microscopie (MICA) avec l’apport externe du Professeur M. Vassalli (Université de Glasgow, UK).
L’essence même de la fluorescence repose sur les phénomènes d’absorption et d’émission de photons (particules élémentaires de la lumière) par des molécules.
Une molécule fluorescente émet un nombre de photons relativement faible, au mieux de l’ordre de 107 photons par seconde, ce qui équivaut à une puissance moyenne d’environ 4 picowatts répartie dans toutes les directions de l’espace. Avec un signal aussi faible, il est essentiel de mettre en œuvre des techniques innovantes pour augmenter la sensibilité de détection de l’émission.
Pour améliorer le rendement d’émission (ou brillance) des faibles signaux fluorescents, les chercheurs se sont penchés sur une méthode d’amplification de la fluorescence en utilisant la diffusion multiple.
Cette méthode consiste à introduire des nanoparticules diélectriques, élastiques et passives, applicable sur des échantillons biologiques. Autrement dit, la génération d’une amplification passe par l’utilisation de diffuseurs de nanoparticules de dioxyde de titane répartis de façon homogène.
Un des défis sera de contrôler le comportement en milieu biologique des nanoparticules et d’éviter leur agrégation. A terme, l’objectif de ce travail est de proposer un montage optique capable d’exciter les fluorophores de façon reproductible.
Si l’aboutissement de cette technique d’amplification dans la détection de fluorescence se concrétise, de nouvelles perspectives d’applications innovantes pourraient s’ouvrir en biochimie analytique à l’échelle d’une molécule individuelle
La cellule est l’élément de base pour tous les organismes vivants. C’est aussi un matériel hétérogène composé d’une enveloppe souple protectrice appelée membrane contenant du liquide nommé cytoplasme. En son centre se trouve, le noyau avec, à l’intérieur, l’ADN. Nos cellules sont soumises à différentes forces, étirements, pressions, torsions.
Douée d'une sensibilité particulière pour leur environnement, les cellules sont capables d'évaluer les propriétés mécaniques et chimiques de leur milieu afin de s'y adapter.
Cette sensibilité à l'environnement provient de différents acteurs situés sur la membrane plasmique des cellules matérialisés par les protéines. Ces complexes protéiques localisés à la surface membranaire assurent les rôles d'adhésion cellulaire ainsi que de reconnaissance des propriétés chimiques ou physiques de l'environnement.Toutes ces forces mécaniques régulent donc l’activité et les fonctions des cellules, voire les transforment en cellules cancéreuses.
Depuis une vingtaine d’année, la mécanobiologie est une science en plein essor. Un des champs d’étude majeur de cette science est de comprendre comment nos cellules réagissent aux forces mécaniques qui s’exercent sur elles.
Au-delà d’améliorer nos connaissances sur la compréhension physiologique des cellules, cette science est en train de bousculer de nombreux domaines de recherche : de l’étude du développement embryonnaire à la lutte contre le cancer en passant l’ingénierie tissulaire.
Par ailleurs, il est désormais admis que la déformabilité cellulaire peut être mise en relation avec l’état de santé de la cellule et de sa viabilité.
Une des difficultés majeures auxquelles se heurte la communauté qui travaille sur la biomécanique est l’absence de méthodes rapides de mesure permettant l’obtention de statistiques fiables.La variabilité cellulaire est telle que la mesure d’une cellule individuelle, ou même d’une dizaine d’échantillons, ne permet pas de généralisations quantitatives.
Les techniques disponibles actuellement sont un frein par leur lenteur et leur complexité à l’utilisation de la biomécanique comme élément diagnostique.
Les informations les plus précises s’obtiennent avec des microscopes à force atomique. Cet outil d'observation est doté d’une résolution élevée capable de mesurer les textures d'une surface minuscule en 3D.
A la différence des microscopes à balayage électronique, il permet d’obtenir des données de hauteur sous forme de valeurs numériques, et donc de quantifier des échantillons et le post-traitement des données.
Même si ce type d’instrument fournit des informations détaillées pour des recherches poussées, il présente cependant le désavantage d’un contact prolongé, avec un risque de contamination, et d’une mesure extrêmement lente, de l’ordre d’une heure par cellule.
Pour être en capacité de chercher des cellules éventuellement endommagées, le développement de techniques nouvelles est nécessaire pour proposer un examen rapide et sans contact.
Pour relever ce défi, des biologistes et physiciens d’Université Côte d’Azur se mobilisent et collaborent avec l’Istituto di Biofisica de Gênes pour trouver un moyen efficace de détecter de manière plus rapide et moins invasive la déformation des cellules.
Dans cette optique, plusieurs paramètres sont en prendre en considération : : l’invasivité de la procédure (i.e., présence ou absence de contact mécanique avec l’enveloppe cellulaire), le type d’information (local –point par point sur la membrane– ou global) et la vitesse à laquelle l’information peut être récoltée.
L’approche choisie par l’équipe est de développer une mesure interfériométrique de la déformation cellulaire par couplage avec une déformation acoustique. Pour cela, la collaboration avec M. Vassalli, Professeur à l’Université de Glasgow, et P. GlynneJones, (University of Southampton) sera essentielle.
A l’heure actuelle, le dispositif est capable de mesurer approximativement 100 cellules par seconde alors que les meilleurs appareils basés sur la microscopie à force atomique arrivent à 10 cellules par heure.
Ce travail de recherche offre ainsi une alternative à la seule technique rapide existante (AcCellerator de Zellmechanik, D) basée sur une m´méthode de déformation cellulaire hydrodynamique avec analyse d’images qui demandent une caméra couteuse et une analyse des images très poussée.
Le système qui est en train d’être développé pourrait offrir des performances semblables avec un cout fortement inférieur – vraisemblablement cinq à dix fois moins cher.
Soutenir l’émergence d’un nouvel axe de recherche : la biophotonique
Les technologies optiques, telle que la microscopie, ont joué un rôle important dans l'étude des échantillons biologiques. Ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques visant à fournir aux sciences de la vie une gamme d'outils de plus en plus perfectionnée est apparue, et ceci, tant à l'échelle micrométrique qu'à l'échelle sub-micrométrique.Ces outils performants sont également venus compléter la palette des méthodes d'investigation non invasives. Suite à ces progrès, une nouvelle science a fait son apparition : la biophotonique. Cette discipline alliant la biologie et la photonique consiste à manipuler la lumière pour analyser des objets biologiques tout en minimisant les effets induits par les rayonnements. Elle permet aussi de modifier les objets biologiques et d’utiliser les structurations chimiques telle que l’hémoglobine et/ou physiques, l’iridescence du vivant pour modifier le comportement de la lumière.
L'objectif du projet NODES est de soutenir l’émergence des activités de recherche dans le domaine de la biophotonique à Université Côte d’Azur.
Pour assurer le développement de cette thématique de recherche, le présent projet propose de contribuer à l’étude de deux activités scientifiques complémentaires. En premier lieu, l’amplification de la lumière pour des applications en microscopie sur cellule. En second lieu, l’élaboration d’un nouveau type d’approche de microscopie pour détecter la déformation des cellules.
L’amplification de faibles signaux de fluorescence
La microscopie est un outil important en biologie cellulaire permettant d’observer et étudier des échantillons. Pour mieux visualiser des tissus biologiques ou localiser certaines protéines intéressantes à l'intérieur des cellules, l’utilisation de fluorophores est une technique très répandue en microcopie optique.Cette technique consiste à effectuer le marquage de cellules ou de protéines par un composé chimique fluorescent appelé un fluorophore. Les objets biologiques ainsi marqués s’illuminent en absorbant la lumière d’une longueur d'onde spécifique.
A titre d’exemple on peut citer le marquage des molécules d'ADN avec le DAPI (4',6'-diamidino-2-phénylindole). Illuminée avec de la lumière ultraviolette, cette molécule fluorescente capable de se lier fortement à l'ADN réémet intensément une lumière bleue.
Cependant, la détection de certains signaux fluorescents reste difficile en analyse biologique comme c’est le cas pour les gènes rarement exprimés. Le projet NODES vise à chercher des solutions biocompatibles pour amplifier considérablement le signal de fluorescence en vue d’améliorer la détection optique de molécules.
Pour atteindre cet objectif, une équipe de chercheurs d’Université Côte d’Azur s’est constituée. Il s’agit de physiciens (INPHYNI), biologistes (IPMC) et ingénieurs de la Plateforme de Microscopie (MICA) avec l’apport externe du Professeur M. Vassalli (Université de Glasgow, UK).
L’essence même de la fluorescence repose sur les phénomènes d’absorption et d’émission de photons (particules élémentaires de la lumière) par des molécules.
Une molécule fluorescente émet un nombre de photons relativement faible, au mieux de l’ordre de 107 photons par seconde, ce qui équivaut à une puissance moyenne d’environ 4 picowatts répartie dans toutes les directions de l’espace. Avec un signal aussi faible, il est essentiel de mettre en œuvre des techniques innovantes pour augmenter la sensibilité de détection de l’émission.
Pour améliorer le rendement d’émission (ou brillance) des faibles signaux fluorescents, les chercheurs se sont penchés sur une méthode d’amplification de la fluorescence en utilisant la diffusion multiple.
Cette méthode consiste à introduire des nanoparticules diélectriques, élastiques et passives, applicable sur des échantillons biologiques. Autrement dit, la génération d’une amplification passe par l’utilisation de diffuseurs de nanoparticules de dioxyde de titane répartis de façon homogène.
Un des défis sera de contrôler le comportement en milieu biologique des nanoparticules et d’éviter leur agrégation. A terme, l’objectif de ce travail est de proposer un montage optique capable d’exciter les fluorophores de façon reproductible.
Si l’aboutissement de cette technique d’amplification dans la détection de fluorescence se concrétise, de nouvelles perspectives d’applications innovantes pourraient s’ouvrir en biochimie analytique à l’échelle d’une molécule individuelle
La détection tout-optique de la déformation des cellules
La cellule est l’élément de base pour tous les organismes vivants. C’est aussi un matériel hétérogène composé d’une enveloppe souple protectrice appelée membrane contenant du liquide nommé cytoplasme. En son centre se trouve, le noyau avec, à l’intérieur, l’ADN. Nos cellules sont soumises à différentes forces, étirements, pressions, torsions.Douée d'une sensibilité particulière pour leur environnement, les cellules sont capables d'évaluer les propriétés mécaniques et chimiques de leur milieu afin de s'y adapter.
Cette sensibilité à l'environnement provient de différents acteurs situés sur la membrane plasmique des cellules matérialisés par les protéines. Ces complexes protéiques localisés à la surface membranaire assurent les rôles d'adhésion cellulaire ainsi que de reconnaissance des propriétés chimiques ou physiques de l'environnement.Toutes ces forces mécaniques régulent donc l’activité et les fonctions des cellules, voire les transforment en cellules cancéreuses.
Depuis une vingtaine d’année, la mécanobiologie est une science en plein essor. Un des champs d’étude majeur de cette science est de comprendre comment nos cellules réagissent aux forces mécaniques qui s’exercent sur elles.
Au-delà d’améliorer nos connaissances sur la compréhension physiologique des cellules, cette science est en train de bousculer de nombreux domaines de recherche : de l’étude du développement embryonnaire à la lutte contre le cancer en passant l’ingénierie tissulaire.
Par ailleurs, il est désormais admis que la déformabilité cellulaire peut être mise en relation avec l’état de santé de la cellule et de sa viabilité.
Une des difficultés majeures auxquelles se heurte la communauté qui travaille sur la biomécanique est l’absence de méthodes rapides de mesure permettant l’obtention de statistiques fiables.La variabilité cellulaire est telle que la mesure d’une cellule individuelle, ou même d’une dizaine d’échantillons, ne permet pas de généralisations quantitatives.
Les techniques disponibles actuellement sont un frein par leur lenteur et leur complexité à l’utilisation de la biomécanique comme élément diagnostique.
Les informations les plus précises s’obtiennent avec des microscopes à force atomique. Cet outil d'observation est doté d’une résolution élevée capable de mesurer les textures d'une surface minuscule en 3D.
A la différence des microscopes à balayage électronique, il permet d’obtenir des données de hauteur sous forme de valeurs numériques, et donc de quantifier des échantillons et le post-traitement des données.
Même si ce type d’instrument fournit des informations détaillées pour des recherches poussées, il présente cependant le désavantage d’un contact prolongé, avec un risque de contamination, et d’une mesure extrêmement lente, de l’ordre d’une heure par cellule.
Pour être en capacité de chercher des cellules éventuellement endommagées, le développement de techniques nouvelles est nécessaire pour proposer un examen rapide et sans contact.
Pour relever ce défi, des biologistes et physiciens d’Université Côte d’Azur se mobilisent et collaborent avec l’Istituto di Biofisica de Gênes pour trouver un moyen efficace de détecter de manière plus rapide et moins invasive la déformation des cellules.
Dans cette optique, plusieurs paramètres sont en prendre en considération : : l’invasivité de la procédure (i.e., présence ou absence de contact mécanique avec l’enveloppe cellulaire), le type d’information (local –point par point sur la membrane– ou global) et la vitesse à laquelle l’information peut être récoltée.
L’approche choisie par l’équipe est de développer une mesure interfériométrique de la déformation cellulaire par couplage avec une déformation acoustique. Pour cela, la collaboration avec M. Vassalli, Professeur à l’Université de Glasgow, et P. GlynneJones, (University of Southampton) sera essentielle.
A l’heure actuelle, le dispositif est capable de mesurer approximativement 100 cellules par seconde alors que les meilleurs appareils basés sur la microscopie à force atomique arrivent à 10 cellules par heure.
Ce travail de recherche offre ainsi une alternative à la seule technique rapide existante (AcCellerator de Zellmechanik, D) basée sur une m´méthode de déformation cellulaire hydrodynamique avec analyse d’images qui demandent une caméra couteuse et une analyse des images très poussée.
Le système qui est en train d’être développé pourrait offrir des performances semblables avec un cout fortement inférieur – vraisemblablement cinq à dix fois moins cher.
| L’Académie Systèmes Complexes, favorable au développement d’une activité scientifique axée sur la biophotonique sur le site niçois, soutient ce projet par l'octroi d'un financement de 6k€ pour couvrir une partie des dépenses pour l'achat de petits équipements et pour des missions. |