Des nanoparticules organiques ultra-brillantes pour l’imagerie biologique en profondeur

Résultats scientifiques

La spectroscopie de fluorescence est un outil d’imagerie indispensable à la recherche en biologie, notamment en neurosciences. La clé pour observer des échantillons de tissus vivants en profondeur réside dans les performances des sondes fluorescentes utilisées. Des chercheurs de l’Institut des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux) ont synthétisé de nouvelles nanoparticules fluorescentes à base de molécules organiques, stables,ultra-brillantes et émettant dans le rouge pour que leur fluorescence ne soit pas trop absorbée par les tissus voisins et reste ainsi mesurable. En collaboration avec le Laboratoire photonique, numérique et nanosciences (CNRS/Université de Bordeaux/IOGS) et l’Interdisciplinary institute for neuroscience (CNRS/Université de Bordeaux), ils ont ainsi pu recueillir des images de cerveau de rats à des profondeurs encore jamais explorées (de l’ordre de 150 µm). Résultats à retrouver dans la revue Advanced Materials.

Dans le cerveau, l’espace extracellulaire entourant les neurones et les cellules « gliales » qui les environnent contient des ions, des protéines et diverses autres molécules essentielles à leur fonctionnement. Malgré sa contribution majeure au fonctionnement du cerveau, l’espace extracellulaire reste peu exploré, principalement en raison de l’absence des techniques suffisamment performantes pour obtenir des images en profondeur.

Pour réaliser des images en profondeur de cette zone du cerveau, on utilise l’imagerie par fluorescence qui nécessite l’introduction dans l’espace extracellulaire de nanoparticules fluorescentes stables, très brillantes et qui émettent dans un domaine de longueurs d’onde élevées (i.e. dans le rouge voir la proche IR) pour que le rayonnement qu’elles émettent ne soit pas trop absorbé ou diffusé par les tissus environnants et que l’on puisse ainsi l’observer. Jusqu’à présent, seules des nanoparticules inorganiques fluorescente telles que les quantum-dots (QD), potentiellement toxiques quand ils contiennent des métaux lourds, ou les nanotubes de carbones (NTC), répondaient à ce cahier des charges. Mais ils présentent une limitation de taille : n’étant pas intrinsèquement solubles dans l’eau, les QD et NTC doivent être fonctionnalisés en surface ou recouverts d’une couche de polymères pour être utilisables en bio-imagerie.

Alliant leurs expertises en chimie, photonique et neurosciences, des scientifiques de l’Institut des sciences moléculaires, du Laboratoire photonique numérique et nanosciences et de l’Institut Interdisciplinaire de Neurosciences ont synthétisé de nouvelles nanoparticules entièrement organiques dans le but d’observer cette zone extracellulaire dans des coupes de cerveau de rats. Ces nanoparticules ont été développées à partir de molécules organiques fluorescentes dont la structure chimique permet spécifiquement de répondre aux besoins de la bio-imagerie. En effet, ces molécules absorbent fortement la lumière et la réémettent dans le rouge. Leur design a été optimisé pour limiter les interactions intermoléculaires qui pourraient être délétères à leur fluorescence lors de leur agrégation en nanoparticules. Nanoparticules non toxiques, elles sont solubles dans l’eau, donc faciles à mettre en œuvre.

Les scientifiques ont montré que, bien que de toute petite taille, elles présentent une brillance exceptionnelle, supérieure à celle des nanoparticules fluorescentes actuellement utilisées en bio-imagerie et une photostablité bien meilleure que celle des colorants fluorescents. Grâce à ces propriétés et à leur furtivité, elles ont permis de sonder l’espace extracellulaire de tranches de cerveau de rats jusqu’à 150 µm de profondeur, profondeur supérieure à celle atteinte avec des QD. Ces travaux pionniers ouvrent des perspectives pour le design d’outils fluorescents entièrement organiques pour l’imagerie de tissus en profondeur, et notamment pour l’étude de l’espace extracellulaire du cerveau. 

image blanchard
Schéma de la brique organique fluorescente permettant la fabrication de nanoparticules dont les propriétés, brillance, stabilité, couleur, taille et furtivité, permettent leur suivie à l’échelle de la particule unique en profondeur dans des tranches de cerveau de rats. © Mireille Blanchard-Desce

Référence

M. Rosendale, J. Flores, C. Paviolo, P. Pagano, J. Daniel, J. Ferreira, J.-B. Verlhac, L. Groc, L. Cognet & M. Blanchard-Desce
A Bottom-Up Approach to Red-emitting Molecular-Based Nanoparticles with Naturally Stealth Properties and their Use for Single Particle Tracking Deep in Brain Tissue
Advanced Materials 2021
https://doi.org/10.1002/adma.202006644

Contact

Mireille Blanchard-Desce
Institut des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux)
Laurent Cognet
Chercheur au Laboratoire photonique, numérique et nanosciences
Laurent Groc
Chercheur à l’Interdisciplinary institute for neuroscience
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC