La nano-imagerie par résonance magnétique, ou nano-IRM, qui fait descendre l'IRM à l'échelle des molécules, existe depuis près de 20 ans, grâce à la microscopie à force de résonance magnétique. Mais elle nécessite de très basses températures. Plusieurs groupes de chercheurs viennent de montrer comment la pratiquer dans des conditions ordinaires.
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L'imagerie par résonancerésonance magnétique (IRM) a pris son essor vers le milieu des années 1970. Elle s'est révélée un outil puissant, sans les inconvénients des rayons Xrayons X, notamment pour étudier la structure et le fonctionnement du cerveaucerveau. De nos jours, on l'utilise aussi en imagerie médicale pour examiner les muscles, le cœur et détecter des tumeurstumeurs chez des patients.

L'IRM permet d'obtenir des images en 3D dont la résolutionrésolution est de l'ordre du millimètre et parfois en dessous. Comme il s'agit d'images en trois dimensions, on emploie parfois le terme de « voxel » (contraction de volumetric element) pour désigner un élément de dimension minimal de ces images. Ce vocable est bien évidemment une généralisation de pixel, qui désigne un élément d'image réduit à un point.


Qu'est-ce que l'imagerie par résonance magnétique ou IRM ? Cette vidéo l'explique simplement, ainsi que ses applications en médecine. © Unisciel

On rêve depuis quelque temps à la nano-IRM et de bons résultats ont été obtenus depuis 20 ans, même s'il ne s'agit pas d'images d'un corps humain ou d'un organe. Ainsi, en 2009, la technique de microscopie à force de résonance magnétique a permis de réaliser des images du virusvirus de la mosaïque du tabac avec une résolution de l'ordre de dix nanomètresnanomètres.

La nano-IRM pour protéines et cellules

À terme, on attend du développement de la nano-IRM qu'elle permette d'examiner des prélèvements de cellules vivantes en descendant au niveau des moléculesmolécules, voire des atomesatomes. Cela permettrait des diagnosticsdiagnostics fins de maladies en examinant des dommages au niveau de l'ADN, des défauts dans la structure spatiale des protéinesprotéines et même d'identifier des cellules cancéreuses en observant des protéines à leur surface.

Malheureusement, la nano-IRM n'était jusque-là possible que dans le vide et à très basses températures, de l'ordre de 300 mK (millikelvins). Or, plusieurs groupes de chercheurs viennent de montrer qu'il est possible de contourner cet obstacle. En mesurant des champs magnétiqueschamps magnétiques faibles associés à des molécules, la nano-IRM devient réalisable dans des conditions de température et de pressionpression normales. La clé : des « centres colorés » contenant de l'azoteazote au sein d'un diamant.

Sur ce schéma, on voit à droite la structure cristalline du diamant avec un atome d'azote (N) à la place d'un atome de carbone et une lacune (V) indiquant l'absence d'un atome de carbone. C'est un centre coloré NV. Sur la gauche, on a représenté deux centres NV dont les moments cinétiques peuvent être influencés par un champ électromagnétique variable dans le temps (<em>Driving field</em>). On peut se servir de ces centres comme de capteurs magnétiques très sensibles, ainsi que pour travailler sur l'information quantique. © APS, S. Benjamin, J. Smith

Sur ce schéma, on voit à droite la structure cristalline du diamant avec un atome d'azote (N) à la place d'un atome de carbone et une lacune (V) indiquant l'absence d'un atome de carbone. C'est un centre coloré NV. Sur la gauche, on a représenté deux centres NV dont les moments cinétiques peuvent être influencés par un champ électromagnétique variable dans le temps (Driving field). On peut se servir de ces centres comme de capteurs magnétiques très sensibles, ainsi que pour travailler sur l'information quantique. © APS, S. Benjamin, J. Smith

Rappelons qu'un diamantdiamant peut présenter des défauts ponctuels, les centres NV, composés d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V). Ces défauts constituent ce que l'on appelle des « centres colorés azote-lacune », présentant une photoluminescencephotoluminescence intense et parfaitement photostable à température ambiante. Depuis quelques années, plusieurs équipes de recherche utilisaient déjà cette propriété pour réaliser de la bio-imagerie cellulaire.

Des capteurs magnétiques avec des centres colorés

Dans l'un des articles publié dans Science, une équipe internationale de chercheurs, américains et allemands notamment, ont montré que l'on pouvait utiliser indirectement ces centres NV pour réaliser une imagerie de type nano-IRM avec une résolution de 5 nm3 - la taille d'un voxel, donc -, et à température ambiante.

En effet, ces centres NV sont formés d'un atome d'azote à la place d'un atome de carbonecarbone et d'une lacune associés au sein du réseau cristallinréseau cristallin du diamant. Ces ensembles ont des niveaux d'énergieénergie avec des moments cinétiquesmoments cinétiques très sensibles aux protonsprotons des atomes d'hydrogènehydrogène de l'échantillon (composé de molécules organiques et déposé à la surface d'un diamant) quand ces protons sont en état de résonance magnétique nucléairerésonance magnétique nucléaire avec un champ imposé.

Preuves de principe de la nano-IRM

Les centres NV se comportent au final comme des capteurscapteurs de champ magnétique très sensibles et, soumis à un rayonnement adéquat, ils répondent en émettant une lumièrelumière. Cette lumière dépend de l'état magnétique et du spin de chaque centre NV, lesquels dépendent des champs magnétiques associés aux protons de l'échantillon que l'on veut imager en nano-IRM.

Cette expérience est pour le moment seulement la preuve que la nano-IRM est possible à température ambiante et sans placer des échantillons de matièrematière organique dans le vide. On n'en est pas encore à obtenir des images de protéines rivalisant avec celles du cerveau que l'on voit couramment dans les vidéos de présentation de l'IRMIRM médicale. Gageons que cela ne saurait tarder, et que cette nano-IRM nous aidera peut-être à percer certains secrets des neuronesneurones pour le Human Brain Project.