Comment les signaux fluorescents pourraient permettre l’implantation de capteurs plus profonds dans le cerveau

3 juin 2022 Par Danielle Kirsh

[Image fournie par le Massachusetts Institute of Technology]

Les capteurs fluorescents sont généralement utilisés pour marquer et imager diverses molécules afin de donner un aperçu unique de l’intérieur des cellules vivantes. Cependant, la méthode a été limitée aux cellules cultivées dans une boîte de laboratoire ou dans des tissus plus proches de la surface du corps, car le signal des capteurs est perdu lorsqu'il est implanté trop profondément dans le corps.

L'équipe d'ingénieurs du MIT en technique photonique a « considérablement amélioré » le signal fluorescent, selon un communiqué de presse. Les chercheurs ont montré que des capteurs pouvaient être implantés jusqu’à 5,5 cm de profondeur dans les tissus tout en fournissant un signal fort. Une signalisation améliorée pourrait aider les capteurs fluorescents à suivre des molécules spécifiques à l’intérieur du cerveau ou d’autres tissus profonds du corps à des fins de diagnostic médical ou de surveillance des effets des médicaments.

"Si vous disposez d'un capteur fluorescent capable de sonder les informations biochimiques dans une culture cellulaire ou dans de fines couches de tissus, cette technologie vous permet de traduire tous ces colorants et sondes fluorescents dans des tissus épais", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Volodymyr Koman.

Traditionnellement, les scientifiques utilisent différents types de capteurs fluorescents, notamment des points quantiques, des nanotubes de carbone et des protéines fluorescentes, pour marquer les molécules à l’intérieur des cellules. La fluorescence des capteurs peut être observée en éclairant ceux-ci avec une lumière laser. Cependant, la méthode ne fonctionne pas dans les tissus épais et denses ou en profondeur dans les tissus, car les tissus émettent une lumière fluorescente appelée autofluorescence, ce qui affaiblit les signaux de l'implant.

"Tous les tissus sont autofluorescents, et cela devient un facteur limitant", a déclaré Koman. "À mesure que le signal du capteur devient de plus en plus faible, il est dépassé par l'autofluorescence des tissus."

Les chercheurs du MIT ont modulé la fréquence de la lumière fluorescente émise par le capteur afin qu'elle puisse se distinguer plus facilement de l'autofluorescence tissulaire. Appelée filtrage de fréquence induit par la longueur d'onde (WIFF), la méthode utilise trois lasers pour créer un faisceau laser avec une longueur d'onde oscillante.

Selon les chercheurs, des faisceaux oscillants sont projetés sur les capteurs et font que la fluorescence émise par le capteur double sa fréquence. Le signal peut alors être facilement détecté à partir de l’autofluorescence du fond. Les chercheurs ont rapporté avoir amélioré le rapport signal/bruit du capteur de plus de 50 fois.

Les chercheurs suggèrent que la méthode pourrait être utilisée pour surveiller l’efficacité des médicaments de chimiothérapie. Pour démontrer sa convivialité, l’équipe s’est concentrée sur le glioblastome. Les patients atteints de cette forme agressive de cancer du cerveau subissent généralement une intervention chirurgicale pour retirer autant de tumeur que possible, puis reçoivent une chimiothérapie pour éliminer les cellules cancéreuses restantes.

« Nous travaillons sur une technologie permettant de fabriquer de petits capteurs qui pourraient être implantés à proximité de la tumeur elle-même, ce qui pourrait donner une indication de la quantité de médicament arrivant dans la tumeur et si elle est métabolisée. Vous pourriez placer un capteur près de la tumeur et vérifier de l’extérieur du corps l’efficacité du médicament dans l’environnement réel de la tumeur », a déclaré Michael Strano, auteur principal de l’étude et professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT.

Lorsque le témozolomide, un médicament anticancéreux, pénètre dans l'organisme, il est décomposé en composés plus petits, et l'équipe du MIT a conçu un capteur pour détecter le composé appelé AIC. Ils ont découvert que l'implant pouvait être placé jusqu'à 5,5 cm de profondeur dans le cerveau d'un animal et pouvait lire le signal du capteur même à travers le crâne de l'animal.

Les chercheurs suggèrent que les capteurs pourraient également être utilisés pour détecter les signatures moléculaires de la mort des cellules tumorales. La méthode WIFF pourrait être utilisée pour améliorer le signal provenant d’autres types de capteurs, notamment des capteurs à base de nanotubes de carbone qui détectent le peroxyde d’hydrogène, la riboflavine et l’acide ascorbique.

"La technique fonctionne à n'importe quelle longueur d'onde et elle peut être utilisée pour n'importe quel capteur fluorescent", a déclaré Strano. "Comme vous disposez désormais de beaucoup plus de signaux, vous pouvez implanter un capteur à des profondeurs dans les tissus, ce qui n'était pas possible auparavant."