Dévoilement d’une nouvelle ère d’imagerie : les ingénieurs mènent des techniques de microscopie révolutionnaires

Lorsque les microscopes ont du mal à capter des signaux faibles, c'est comme essayer de repérer les détails subtils d'un tableau ou d'une photographie sans vos lunettes. Pour les chercheurs, cela rend difficile la détection des petites choses qui se produisent dans les cellules ou dans d’autres matériaux. Dans le cadre de nouvelles recherches, le Dr Ji-Xin Cheng, professeur titulaire de la chaire Moustakas en photonique et optoélectronique de l'Université de Boston, et ses collaborateurs créent des techniques plus avancées pour permettre aux microscopes de mieux voir les petits détails des échantillons sans avoir besoin de colorants spéciaux.

Leurs résultats, publiés dans Communications naturelles et Avancées scientifiques respectivement, aident les scientifiques à visualiser et à comprendre leurs échantillons plus facilement et avec plus de précision.

Dans cette séance de questions-réponses, le Dr Cheng, qui est également professeur dans plusieurs départements de la BU (génie biomédical, génie électrique et informatique, chimie et physique), approfondit les résultats découverts dans les deux articles de recherche. Il met en lumière les travaux que lui et son équipe ont actuellement en cours et fournit une compréhension globale de la manière dont ces découvertes pourraient avoir un impact sur le domaine de la microscopie et, potentiellement, influencer les futures applications scientifiques.

Vous et vos collaborateurs de recherche avez récemment publié deux articles sur la microscopie dans Communications naturelles et Avancées scientifiques. Quelles sont les principales conclusions de chaque article ?

Ces deux articles visent à relever un défi fondamental dans le domaine émergent de l’imagerie vibratoire qui ouvre une nouvelle fenêtre pour les sciences de la vie et la science des matériaux. Le défi est de savoir comment repousser la limite de détection pour que l’imagerie vibratoire soit aussi sensible que l’imagerie par fluorescence afin que nous puissions visualiser des molécules cibles à de très faibles concentrations (micromolaires à nanomolaires) sans colorant.

Notre innovation pour relever ce défi fondamental consiste à déployer la microscopie photothermique pour détecter les liaisons chimiques dans un échantillon. Après excitation des vibrations de la liaison chimique, l’énergie se dissipe rapidement en chaleur, provoquant une élévation de température. Cet effet photothermique peut être mesuré par un faisceau sonde traversant le foyer.

Notre méthode est fondamentalement différente de la microscopie à diffusion Raman cohérente, une plateforme d'imagerie vibratoire à grande vitesse décrite dans ma revue scientifique de 2015. Ensemble, nous avons créé une nouvelle classe de boîte à outils d’imagerie chimique, appelée microscopie photothermique vibrationnelle, ou microscopie VIP.

Dans le Communications naturelles Dans cet article, nous avons développé un microscope photothermique infrarouge moyen à grand champ pour visualiser le contenu chimique d’une particule virale signal. Dans le Avancées scientifiques papier, nous avons développé un nouveau microscope photothermique vibrationnel basé sur le processus Raman stimulé.

Y a-t-il eu des résultats inattendus ou surprenants dans l’un ou l’autre article ? Si oui, comment ces résultats remettent-ils en question les connaissances ou théories existantes autour de la microscopie ?

Le développement de la microscopie SRP était inattendu. Nous n’avions jamais cru que l’effet Raman était suffisamment puissant pour la microscopie photothermique, mais nos idées ont changé en août 2021. Pour célébrer mon 50e anniversaire, mes étudiants et moi avons organisé une soirée sur le thème du sport. Pendant les festivités, Yifan Zhu, le premier auteur du Avancées scientifiques papier, a malheureusement subi une blessure, ce qui a amené son médecin à recommander une période de mobilité réduite de deux mois.

Pendant sa convalescence, je lui ai demandé d'effectuer un calcul d'élévation de température au foyer d'un microscope SRS (diffusion Raman stimulée). Grâce à cet accident, nous avons découvert un fort effet photothermique Raman (SRP) stimulé. Yifan et d'autres étudiants ont ensuite consacré deux ans au développement. C’est ainsi qu’a été inventée la microscopie SRP.

Les articles ont-ils identifié des limites ou des lacunes dans leurs conclusions ? Quel impact ces limitations pourraient-elles avoir sur les implications globales de la recherche ?

Certes, rien n’est parfait. En poursuivant la microscopie SRP, nous avons constaté que chaque faisceau peut avoir une absorption, ce qui provoque un faible fond non Raman dans l'image SRP. Nous développons une nouvelle façon de supprimer cet arrière-plan.

Les conclusions d’un article complètent-elles ou contredisent-elles celles de l’autre ? Comment se rapportent-ils les uns aux autres?

Les méthodes rapportées dans ces deux articles sont complémentaires. La méthode WIDE-MIP est adaptée à la détection des liaisons actives IR, tandis que la méthode SRP est sensible aux liaisons actives Raman.

Les articles suggèrent-ils de nouvelles orientations pour la recherche future en microscopie qui pourraient avoir des implications significatives à long terme ?

Oui en effet. Ensemble, ces deux articles indiquent une nouvelle classe de microscopie chimique appelée microscopie photothermique vibrationnelle ou microscopie VIP. La microscopie VIP offre un moyen très sensible de sonder des liaisons chimiques spécifiques ; nous pouvons ainsi les utiliser pour cartographier des molécules de très faibles concentrations sans marquage par colorant.

Ces technologies d’imagerie sont-elles actuellement disponibles ou utilisées par d’autres chercheurs en dehors de votre laboratoire ?

Nous avons déposé des brevets provisoires pour les deux technologies via le bureau de développement technologique de la BU. Au moins deux entreprises sont intéressées par la commercialisation de la technologie SRP et l'une d'elles s'intéresse également à la technologie WIDE-MIP.

Qui sont vos principaux collaborateurs de recherche ?

Dans l'article WIDE-MIP, les échantillons de virus sont fournis par John Connor, professeur agrégé de microbiologie aux laboratoires nationaux des maladies infectieuses émergentes de la BU. Le développement de la technologie WIDE-MIP est réalisé en collaboration avec Selim Ünlü, professeur de génie électrique et informatique au College of Engineering de la BU. Il s’agit donc d’un travail collaboratif au sein de l’Université de Boston.