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Nouvelle microscopie à l’École polytechnique

Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry et du Laboratoire d’optique et biosciences ont mis au point une source laser et un microscope pour réaliser les premières images en couleur de microscopie dite « à trois photons ». Ces résultats sont publiés dans la revue scientifique Light : Science & Applications du groupe Nature.

La microscopie dite « à deux photons »* est une technique de référence pour la recherche en neurosciences. En permettant de visualiser des neurones dans le tissu cérébral intact avec une résolution sub-cellulaire, elle permet d’étudier le cerveau à une échelle complémentaire à ce que permet l’IRM. Cependant, cette technologie est limitée à l’exploration d’une profondeur de quelques centaines de micromètres chez le petit animal, limite que les chercheurs du Laboratoire Charles Fabry (LCF, une UMR CNRS/IOGS/Université Paris-Saclay) et du Laboratoire d’optique et biosciences (LOB - une UMR CNRS/École polytechnique/Inserm) contribuent à repousser grâce à leur système de microscopie dite « à trois photons ».

Démontrée à l’Université Cornell en 2013, la microscopie à trois photons suscite actuellement un fort intérêt car elle permet d’accroitre la profondeur d’imagerie. Des sources laser permettant d’atteindre ce régime d’excitation ont commencé à être commercialisées récemment, mais les caractéristiques optimales pour l’imagerie biologique restent encore à établir.

Les équipes de recherche d’Emmanuel Beaurepaire au LOB et de Frédéric Druon au LCF collaborent depuis 2014 dans le cadre de l’Equipex MORPHOSCOPE, une plateforme d'installations de pointe pour l’imagerie optique et l’analyse d’images de tissus biologiques. En conjuguant leurs expertises, ils ont développé leur propre source laser associée à un microscope dédié pour réaliser les premières images de microscopie à trois photons in vivo en France.

Le système repose sur une nouvelle technologie brevetée permettant d’émettre simultanément deux faisceaux lasers infrarouges de couleurs différentes afin d’exciter des cellules marquées génétiquement avec des protéines fluorescentes vertes et rouges. Le microscope permet ensuite de détecter ces cellules marquées pour produire des images en couleur, une première mondiale en microscopie à trois photons publiée dans la revue scientifique Light : Science & Applications du groupe Nature. Les chercheurs y révèlent leurs premières images du tissu cérébral de poisson zèbre et de souris, réalisées en collaboration avec l’Institut Pasteur et l’Institut de la vision.

Ces résultats sont un bel exemple de réalisation de MORPHOSCOPE et ouvrent des perspectives pour les neurosciences, la biologie de développement et la recherche biomédicale. Les chercheurs sont actuellement en contact avec plusieurs équipes franciliennes dans le but de développer cette approche d’imagerie et ses applications, mais aussi avec des industriels envisageant de commercialiser leur invention.

* En savoir plus : Microscopies à deux ou trois photons
Les microscopies à deux ou à trois photons reposent sur le principe de la fluorescence : un corps appelé fluorophore peut émettre de la lumière lorsqu’il est soumis à une lumière plus énergétique. C’est le principe utilisé pour rendre le linge plus blanc que blanc : la lessive contient des agents « azurants », des fluorophores qui absorbent la lumière ultraviolette et réémettent de la lumière visible, rendant ainsi le linge plus lumineux. Dans le domaine de la microscopie ce principe est utilisé de manière classique depuis bien longtemps. Dans les années 1990, la microscopie à deux photons est née : cette fois-ci la molécule absorbe simultanément deux photons pour en réémettre un par florescence. Elle présente les avantages d’utiliser une lumière d’excitation infrarouge qui pénètre mieux les tissus biologiques, et de reposer sur un principe qui réduit le bruit de fond. Dans la continuité, en microscopie à trois photons, le fluorophore absorbe trois grains de lumière encore plus décalés dans l’infrarouge, pour en réémettre un visible par fluorescence.