Des ingénieurs biomédicaux et génétiques de l’Université Duke et de l’Albert Einstein College of Medicine ont conçu une petite protéine fluorescente qui émet et absorbe la lumière qui pénètre profondément dans les tissus biologiques. Adaptée aux longueurs d’onde du spectre proche infrarouge (NIR), cette protéine peut aider les chercheurs à capturer des images biomédicales plus profondes, plus nettes et plus précises.
Ce travail est paru le 1er décembre dans la revue Méthodes naturelles.
L’imagerie des tissus profonds avec la lumière est un défi. La lumière visible est souvent rapidement absorbée et diffusée par les structures et les molécules du corps, empêchant les chercheurs de voir plus profondément qu’un millimètre dans un tissu. S’ils parviennent à sonder plus loin, des substances comme le collagène ou la mélanine brouillent souvent l’image, créant l’équivalent d’un bruit de fond grâce à leur fluorescence naturelle.
“Les molécules biologiques absorbent et émettent naturellement de la lumière dans le spectre visible, qui est d’environ 350 à 700 nanomètres”, a déclaré Junjie Yao, professeur adjoint de génie biomédical à Duke. “Ainsi, lorsque vous l’utilisez pour imager des tissus profonds, c’est comme essayer d’observer les étoiles à la lumière du jour. Les signaux sont inondés.”
Pour sortir de ces eaux troubles, Yao et son collaborateur Vladislav Verkhusha, professeur de génétique à l’Albert Einstein College of Medicine, New York, ont développé une protéine qui absorbe et émet des longueurs d’onde de lumière plus longues dans le spectre proche infrarouge (NIR).
“Le tissu est le plus transparent dans la fenêtre de 700 à 1300 nanomètres de la lumière NIR”, a déclaré Yao. “A ces longueurs d’onde, la lumière peut pénétrer plus profondément dans un tissu, et comme il y a moins de fluorescence de fond naturelle à filtrer, nous pouvons prendre des expositions plus longues et capturer des images plus claires.”
Verkhusha et son laboratoire ont utilisé un processus appelé évolution moléculaire dirigée pour concevoir leurs protéines, en utilisant des photorécepteurs normalement présents dans les bactéries comme base de la structure. Ces photorécepteurs sont utiles pour la recherche en imagerie car ils peuvent basculer entre un état silencieux et actif lorsqu’ils sont touchés par une longueur d’onde de lumière spécifique. Ils peuvent se lier à la biliverdine, une biomolécule qui apparaît en grande quantité dans les tissus mammifères et humains.
“Nous avons étudié la structure de la biliverdine pour déterminer comment le photorécepteur se fixerait au mieux à la biomolécule”, a expliqué Verkhusha. “Après avoir compris le processus de liaison, nous avons soigneusement introduit des substitutions d’éléments clés de la molécule se connectant à la biliverdine pour augmenter la liaison des électrons, ce qui est nécessaire pour obtenir la fluorescence décalée vers le rouge. Enfin, nous avons effectué une mutagenèse aléatoire suivie d’un traitement à haut débit. des criblages pour que les protéines évoluent et augmentent leur luminosité.”
La protéine trouvée la plus brillante, appelée miRFP718nano, est facilement produite dans les cellules et les tissus et émet de la lumière juste en dehors de la plage visible. Mais alors que l’activation NIR elle-même est utile, ce qui se passe après la première rafale d’activité est encore plus prometteur pour l’imagerie biomédicale.
“Nous avons vu que la gamme NIR peut être divisée en deux zones principales”, a expliqué Yao. “Lorsque la lumière NIR frappe ces protéines pour la première fois, elles émettent de la lumière dans la première zone, qui est d’environ 700 à 900 nanomètres. Mais à mesure qu’elles se désintègrent, la longueur d’onde s’allonge progressivement, comme la queue derrière une comète. C’est alors qu’elles commencent à émettre de la lumière. dans la deuxième zone NIR, qui est de 900 à 1300 nanomètres.”
Dans cette deuxième zone, tous les avantages de l’utilisation de la longueur d’onde plus courte, la lumière NIR de la zone un sont améliorés : la lumière peut pénétrer les tissus deux fois plus profondément, la fluorescence de fond est considérablement atténuée et la résolution de l’image peut être deux à trois fois plus claire, permettant des images détaillées de structures complexes.
Comme preuve de concept, Yao et son équipe de Duke ont utilisé une technique d’imagerie appelée infrarouge à courte longueur d’onde (SWIR) pour tester l’efficacité de la nouvelle protéine. Ce processus envoie une lumière NIR zone-1 profondément dans le tissu pour activer les protéines fluorescentes. Au fur et à mesure que les protéines se désintègrent, elles émettent une lumière NIR de zone deux qui fournit des informations sur la structure et la composition des tissus et cellules ciblés qui peuvent être traduites en images haute résolution.
Après avoir introduit des protéines miRFP718nano modifiées dans leurs modèles animaux, l’équipe les a utilisées pour capturer des images de microbes dans le tube digestif de souris, visualiser des cellules dans une glande mammaire de souris et même suivre les modifications de l’inflammation dans un foie de souris. Toutes les images capturées étaient plus claires et plus détaillées que les images réalisées à l’aide d’une protéine d’imagerie standard NIR zone-one.
Yao et Verkhusha sont optimistes que leur partenariat continu sera une aubaine pour leur travail à la fois en imagerie biomédicale et en ingénierie des protéines. Alors que Verkhusha continue d’affiner et d’améliorer les protéines fluorescentes et les biocapteurs, Yao est ravi d’utiliser le nouvel outil pour visualiser le cerveau de plus près et pour suivre potentiellement le mouvement des cellules cancéreuses.
“Il s’agit d’un nouveau front passionnant de notre collaboration de dix ans, car nous pouvons utiliser les outils d’imagerie pour guider les décisions d’ingénierie des protéines, et nous pouvons utiliser l’ingénierie avancée des protéines pour améliorer les capacités d’imagerie”, a déclaré Yao.
Ce travail a été soutenu par des subventions des National Institutes of Health des États-Unis (GM122567, EB028143, NS111039, NS115581), de la Chan Zuckerberg Initiative (226178), de la Cancer Foundation Finland et de la Magnus Ehrnrooth Foundation, et du NIH Intramural Research Program for the Vaccine Research Centre de l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses.
