De nouvelles sondes photoacoustiques permettent l’imagerie des tissus cérébraux profonds, avec la possibilité de rendre compte de l’activité neuronale

Pour mieux comprendre le cerveau, nous avons besoin de nouvelles méthodes pour observer son activité. C’est au cœur d’un projet d’ingénierie moléculaire, mené par deux groupes de recherche du Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL), qui a abouti à une nouvelle approche pour créer des sondes photoacoustiques destinées aux applications en neurosciences. Les résultats ont été publiés dans la revue Neurosciences. Journal de la Société américaine de chimie.

« La photoacoustique permet de capturer des images du cerveau entier d’une souris, mais nous manquions simplement des sondes adéquates pour visualiser l’activité d’un neurone », explique Robert Prevedel, responsable du groupe EMBL et auteur principal de l’article. Pour surmonter ce défi technologique, il a travaillé avec Claire Deo, autre responsable du groupe EMBL et auteur principal de l’article. Elle et son équipe sont spécialisées en génie chimique.

« Nous avons pu montrer que nous pouvons réellement étiqueter les neurones dans des zones spécifiques du cerveau avec des sondes suffisamment lumineuses pour être détectées par notre microscope photoacoustique personnalisé », a déclaré Prevedel.

Les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur les processus biologiques en suivant certains produits chimiques, tels que les ions ou les biomolécules. Les sondes photoacoustiques peuvent agir comme des « rapporteurs » pour les produits chimiques difficiles à détecter en se liant spécifiquement à eux. Les sondes peuvent ensuite absorber la lumière lorsqu’elles sont excitées par des lasers et émettre des ondes sonores qui peuvent être détectées par un équipement d’imagerie spécialisé.

Pour les applications en neurosciences, cependant, les chercheurs n’ont jusqu’à présent pas été en mesure de concevoir des rapporteurs ciblés capables de visualiser les fonctions cérébrales adaptées à la photoacoustique.

Les chercheurs ont expérimenté l’utilisation de colorants synthétiques comme indicateurs photoacoustiques de l’activité neuronale, mais il a été difficile de contrôler où le colorant se dirige et ce qui pourrait être étiqueté. Les protéines se sont révélées particulièrement utiles comme sondes pour marquer des molécules spécifiques, mais n’ont pas encore conduit à des sondes photoacoustiques efficaces pour surveiller l’activité neuronale dans l’ensemble du cerveau.

« Dans notre cas, nous avons pris le meilleur de ces deux capteurs, en combinant une protéine avec un colorant synthétique conçu de manière rationnelle, et nous pouvons désormais étiqueter et visualiser les neurones dans des régions d’intérêt spécifiques », a déclaré Alexander Cook, premier auteur de l’étude et chercheur prédoctoral au sein du groupe Deo. Dans les approches de conception rationnelle, les chercheurs utilisent les connaissances et les principes existants pour construire des molécules ayant les propriétés souhaitées, au lieu de fabriquer et de tester aveuglément des composés aléatoires.

« De plus, nous ne parlons pas seulement d’une observation statique, mais cette sonde montre une réponse réversible et dynamique au calcium, qui est un marqueur de l’activité neuronale », a ajouté Cook.

Selon Deo, ce développement technologique s’est heurté à un défi de taille : les sondes photoacoustiques n’ayant pas fait l’objet d’études approfondies, les chercheurs ne disposaient pas des moyens nécessaires pour évaluer les sondes qu’ils construisaient.

Le projet a donc débuté avec Nikita Kaydanov, co-auteur de l’étude et chercheur prédoctoral au sein du groupe Prevedel, qui a fabriqué sur mesure une configuration de spectroscopie.

« Il n’existe pas de dispositif commercial capable de mesurer les signaux photoacoustiques d’une sonde dans des tubes à essai ou des cuvettes, nous avons donc dû en construire un », explique Kaydanov. « Nous avons créé notre propre spectromètre photoacoustique pour évaluer et optimiser les sondes. »

« Cela nous a permis d’évaluer et de caractériser les différentes sondes que nous avons fabriquées pour évaluer plusieurs choses », a déclaré Deo. « Ont-elles produit un signal photoacoustique détectable ? Sont-elles suffisamment sensibles ? C’est ainsi que nous avons déduit les prochaines étapes. »

Mais les chercheurs ne voulaient pas s’arrêter à la production de sondes fonctionnant dans un flacon. Ils voulaient ensuite voir comment les sondes fonctionnaient dans la pratique. Ils ont trouvé un moyen d’introduire les sondes dans le cerveau d’une souris et ont réussi à détecter des signaux photoacoustiques provenant de neurones situés dans les régions cérébrales ciblées.

« Bien que nous soyons enthousiasmés par les progrès réalisés, nous devons être clairs : il ne s’agit que de la première génération de ces sondes », a déclaré Deo. « Bien qu’elles offrent une approche très prometteuse, nous avons encore beaucoup de travail à faire, mais c’est une bonne première démonstration de ce que ce système peut permettre et du potentiel qu’il a pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. »

En fait, ces prochaines étapes incluent l’amélioration du système d’administration de colorants et la confirmation de la capacité de les utiliser pour l’imagerie dynamique à l’intérieur des cellules.

« L’un des avantages de l’EMBL est qu’il réunit autant de personnes possédant des compétences différentes », a déclaré Prevedel. « Nous sommes tous deux des développeurs à notre manière : mon groupe travaille davantage sur l’instrumentation, et celui de Claire sur les outils moléculaires. Et en combinant cela avec des neuroscientifiques qui testent ensuite réellement les outils, nous avons une façon spéciale et unique de faire de la recherche, possible uniquement à l’EMBL. »