La microscopie ultrasonore non linéaire fournit des images à échelle de la cellule dans des organes opaques

En biologie, l’imagerie tient une grande importance. En particulier la microscopie optique est utilisée pour observer les processus dynamiques cellulaires dans des organismes vivants.
L’une des méthodes les plus fertiles utilise une nappe de lumière pour mettre en évidence des marqueurs fluorescents génétiquement encodés. Mais le rayonnement lumineux de la microscopie optique, d’une part est toxique pour les cellules et d’autre part ne peut pénétrer que dans des spécimens fins et transparents.
Au contraire, les ultrasons ne sont pas toxiques pour les cellules et présentent une épaisseur de pénétration importante (~ 1 cm ) et une forte résolution spatio-temporelle (~ 100 µm, 1 milliseconde ). Enfin l’introduction récente de vésicules de gaz génétiquement encodées (GV) et de microbulles (MB) synthétiques à parois de lipides est à l’imagerie ultrasonore ce qu’est la  » protéine verte fluorescente  » à l’imagerie optique.

Des chercheurs de l’Université de Technologie de Delft, Delft Pays Bas, du California Institute of technology, Pasadena, USA, de l’Howard Hughes Medical Institute, Pasadena, USA et du département de Psychologie de l’Université d’Amsterdam, Amsterdam, Pays Bas ont réussi à obtenir avec des ultrasons des images volumétriques de gènes de tumeurs à l’échelle du cm^³ et celles de sections du système vasculaire cérébral à l’échelle des capillaires.

Cette méthode, en anglais nonlinear sound-sheet microscopy, d’acronyme NSSM, permet, à partir d’éléments transducteurs (Fig.1 A) en lignes et colonnes (en anglais row column adressed transducer array-RCA-), d’émettre des ondes planes ultrasonores qui créent une nappe sonore de faible épaisseur (Fig.1 B, C).

 

Cette technique fournit des images de fonctions biologiques sur un volume de quelques cm^³ de tissu vivant opaque.

Pour cela, on utilise un ensemble de Nap éléments transducteurs pour envoyer 2 ondes acoustiques sous deux directions indiquées par les angles α et -α (Fig.1B). La pression acoustique est modulée par une suite d’impulsions. Le but est de détecter dans de fines sections de tissus vivants des marqueurs qui sont, soit des vésicules de gaz encodées génétiquement, soit des microbulles synthétiques à paroi lipidique. En utilisant des marqueurs qui réagissent non-linéairement aux ultrasons, on va pouvoir les distinguer des autres composants de l’image. Le balayage de la nappe sonore s’effectue avec un pas inférieur à la longueur d’onde du son et atteint ainsi une forte résolution.

Pour tester la capacité du NSSM de visualiser dans une bactérie l’expression – c’est-à-dire la protéine qu’il produit – d’un gène rapporteur acoustique (en anglais acoustic reporter gene, ARG), les chercheurs ont fait l’expérience de la Fig.2. On y a représenté les images de vésicules contenant des bactéries Anabaena flos aquae insérées dans de l’agar-agar dissous dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS). Certaines des bactéries sont dépouillées de la protéine Gvpc et deviennent plus sensibles à la diffusion non-linéaire, NSSM, ce qui augmente considérablement le signal dû aux vésicules les contenant tout en atténuant celui dû aux vésicules munies de la protéine Gvpc.

 

Le fait d’exciter des rapporteurs acoustiques dans un plan à un instant donné et de pouvoir ainsi balayer (scanner) l’objet étudié permet l’imagerie moléculaire ultrasonore à l’échelle de la cellule et des capillaires.

La figure 3 ci-dessous présente des vues en coupe de l’expression de gène dans les plans xz, yz et xy, ce qui illustre la puissance du NSSM. Le cœur nécrosé d’une tumeur induite sur une souris y est bien mis en évidence.

 

En dehors des vésicules de gaz génétiquement encodées, il existe une autre catégorie d’agents de contraste utilisés en tant que rapporteurs vasculaires. Ce sont les microbulles (MB) ; elles sont sensibles à l’amplitude des ultrasons et donc détectables en utilisant des séquences pulsées de modulation d’amplitude.

La figure suivante illustre l’utilisation de microbulles(MB) pour l’observation de la vascularisation du cerveau d’une souris.

Comme on vient de le voir, la technique NSSM permet de mettre en évidence la diffusion non linéaire de GV génétiquement encodées et celle de MB synthétisées à parois lipidiques.

NSSM est une méthode d’imagerie dont on peut régler la vitesse des images et la taille de l’objet. A 2 dimensions avec une fréquence d’ultrasons de 15 MHz, NSSM peut balayer une profondeur de 1 cm avec une fréquence d’image de 25,6 kHz. A trois dimensions, NSSM peut agir sur un volume de 8,8×8,8×10 mm^³ de tissus vivants avec une fréquence d’image de233 Hz.

Pour aller plus loin, il faudra envisager une nouvelle génération des rapporteurs acoustiques que sont GV et MB. La sensibilité de NSSM pourrait aussi être augmentée pour parvenir à la détection d’une seule cellule. D’où l’espoir, pour cette technique, d’un développement d’opportunités nouvelles pour l’imagerie dynamique de processus biologiques à différentes échelles.

 

 

 

 Pour en savoir plus :

« Nonlinear sound-sheet microscopy: Imaging opaque organs at the capillary and cellular scale » Baptiste Heiles, Flora Nelissen, Rick Waasdorp, Dion Terwiel, Byung Min Par, Eleonora Munoz Ibarra, Agisilaos Matalliotakis, Tarannum Ara, Pierina Barturen-Larrea, Mengtong Duan, Mikhail G. Shapiro, Valeria Gazzola, David Maresca
Science 388, eads1325 (2025).