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Imagerie in vivo : des nanoparticules pour une visualisation inégalée

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Des chercheurs du CNRS ont mis au point des nanoparticules capables de stocker l'énergie lumineuse et d'émettre un signal pendant plusieurs heures. En les utilisant in vivo chez l'animal, ils ont pu visualiser les tissus comme jamais auparavant.

Des chercheurs du CNRS ont mis au point des nanoparticules à luminescence persistante capables de stocker puis d’émettre un signal de luminescence pendant plusieurs heures. Grâce à elles, ils ont pu imager in vivo la présence de tumeurs marquées (partie A : L et T représentent les endroits où se trouvent les cellules cancéreuses) et suivre le déplacement de macrophages fluorescents (partie B : les cellules sont localisées au niveau des poumons). © UTCBS

L'imagerie optique in vivo est une technique en pleine expansion qui peut être utilisée dans des études précliniques et cliniques pour imager des zones d'intérêt, évaluer l'efficacité de traitements ou aider une intervention chirurgicale. En utilisant des sondes optiques appropriées, il sera probablement un jour possible d'imager ces zones en temps réel, avec une bonne sensibilité et à un très faible coût.

Actuellement, les seules sondes commercialisées pour l'imagerie in vivo sont des molécules ou nanoparticules fluorescentes qui émettent des photons pendant des temps très courts, de l'ordre de la dizaine de nanosecondes. Pour les visualiser, il est donc nécessaire de les exciter en permanence dans le corps de l'animal, ce qui a pour inconvénient majeur de générer un bruit de fond non négligeable dû à l'excitation simultanée des biomolécules présentes dans l'organisme, elles-mêmes fluorescentes (autofluorescence). Ce signal parasite diminue la sensibilité au moment de la détection et limite la visualisation des zones dans lesquelles il y a peu de signal.

Pour pallier cet inconvénient, une équipe du CNRS conçoit depuis plusieurs années des nanoparticules aux propriétés optiques originales. Ces matériaux peuvent stocker l'énergie lumineuse d'excitation et la restituer lentement pendant plusieurs heures dans la zone de transparence des tissus biologiques. La composition de la première génération de nanoparticules, excitée ex vivo par des rayonnements UV, a été optimisée sans toutefois permettre de suivre les sondes in vivo sur des temps supérieurs à deux ou trois heures après l'injection au petit animal.

Grâce à la fluorescence, les chercheurs peuvent observer les tissus in vivo et mieux comprendre le développement de certaines pathologies. Ils se heurtent cependant au problème de l’autofluorescence, c’est-à-dire de la fluorescence spontanée de certaines biomolécules. Cette image montre par exemple l’autofluorescence d’une feuille de papier illuminée par des ultraviolets. Pour contrer ce problème, des chercheurs du CNRS ont mis au point des nanoparticules à luminescence persistante. © Zephyris, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Imagerie in vivo huit fois plus sensible que les sondes commerciales

Dans une étude publiée dans la revue Nature Materials, un nouveau grand pas vient d'être franchi. Les chercheurs ont en effet conçu une nouvelle génération de nanoparticules excitables in vivo dans le corps de l'animal grâce à un rayonnement visible de faible énergie, capable de traverser les tissus et d'être stocké au sein des nanoparticules. Celles-ci émettent ensuite un signal de luminescence pendant plusieurs heures, ce qui permet de les détecter avec une excellente sensibilité, sans contrainte de temps et de répéter l'opération autant de fois que nécessaire. Une comparaison avec des sondes commerciales a démontré une sensibilité de détection jusqu'à huit fois supérieure avec ce type de nanoparticules à luminescence persistante. Une fonctionnalisation de surface appropriée permet de les injecter à l'animal et de les suivre au cours du temps après ré-excitation. Des études préliminaires ont montré qu'en utilisant ces sondes, il était possible d'imager des tumeurs ou de suivre des cellules marquées.

Ce travail ouvre de larges perspectives d'applications de cette nouvelle sonde optique, notamment pour des biologistes ou pharmacologues impliqués dans le diagnostic du cancer. Cela pourrait par exemple les aider à suivre le tropisme de cellules souches, lymphocytaires, musculaires ou endothéliales dans des essais de thérapie cellulaire, ou à étudier l'activité du tractus gastro-intestinal après administration orale de ces nanoparticules à luminescence persistante.