L’imagerie cérébrale a fait des progrès considérables. Il y a près de 150 ans, les scientifiques ont commencé à imaginer la circulation de l’facts dans le cerveau en se basant sur la forme des neurones observés au microscope.Les technologies d’imagerie actuelles permettent d’observer les minuscules synapses par lesquelles les neurones communiquent, et même les molécules utilisées pour relayer les messages. Ces vues internes suscitent de nouvelles idées sur le fonctionnement du cerveau sain et révèlent des changements importants liés aux maladies.
Cette vision plus précise de la biologie ne se limite pas aux progrès qui ont rendu les microscopes plus puissants. Des chercheurs du monde entier utilisent une méthodologie mise au point dans le laboratoire d’Edward Boyden, chercheur au McGovern Institute for Brain Research du MIT, pour imager des échantillons qui ont été gonflés jusqu’à 20 fois leur taille d’origine, afin de mieux voir leurs caractéristiques les plus fines.
« C’est une façon très différente de faire de la microscopie »,explique Boyden. « Contrairement aux 300 dernières années de bio-imagerie, où l’on utilise une lentille pour agrandir une image de la lumière provenant d’un objet, nous agrandissons physiquement les objets eux-mêmes. » Une fois qu’un tissu est dilaté, les chercheurs peuvent mieux voir, même avec du matériel de microscopie conventionnel largement disponible.
L’équipe de Boyden a présenté cette approche, qu’elle a baptisée microscopie d’expansion (ExM), en 2015. Depuis,elle n’a cessé de perfectionner la méthode et d’en ajouter à ses capacités,tandis que des chercheurs du MIT et d’ailleurs l’utilisent pour en apprendre davantage sur la vie à la plus petite des échelles.
« Elle se répand très rapidement dans la biologie et la médecine », dit Boyden. « elle est appliquée aux maladies rénales, au cerveau de la mouche à fruits, aux graines de plantes, au microbiome, à la maladie d’Alzheimer, aux virus, et plus encore. »
Origines de l’ExM
Table of Contents
Pour développer la microscopie d’expansion, Boyden et son équipe se sont tournés vers l’hydrogel, un matériau aux propriétés remarquables d’absorption d’eau qui avait déjà été utilisé à des fins pratiques : il est intégré aux couches jetables pour garder les bébés au sec. Le laboratoire de Boyden a émis l’hypothèse que les hydrogels pouvaient conserver leur structure tout en absorbant des centaines de fois leur poids initial en eau, dilatant ainsi l’espace entre leurs composants chimiques à mesure qu’ils gonflent.
après quelques expérimentations, l’équipe de Boyden s’est arrêtée à quatre étapes clés pour agrandir les échantillons de tissus afin d’obtenir une meilleure imagerie. Tout d’abord, le tissu doit être infusé d’un hydrogel. Les composants du tissu, les biomolécules, sont ancrés à la matrice en forme de toile du gel, ce qui les relie directement aux molécules qui composent le gel. Ensuite, le tissu est ramolli chimiquement et de l’eau est ajoutée. Lorsque l’hydrogel absorbe l’eau, il gonfle et le tissu se dilate, se développant uniformément de sorte que les positions relatives de ses composants soient préservées.
Le premier rapport de Boyden et des étudiants diplômés Fei Chen et Paul Tillberg sur la microscopie d’expansion a été publié dans la revue Science en 2015.L’équipe y a démontré qu’en séparant les molécules qui étaient entassées à l’intérieur des cellules, les caractéristiques qui se seraient estompées sous un microscope optique standard sont devenues distinctes. Les microscopes optiques peuvent faire la distinction entre des objets séparés d’environ 300 nanomètres,une limite imposée par les lois de la physique. Avec la microscopie d’expansion, le groupe de Boyden a rapporté une résolution effective d’environ 70 nanomètres, pour une expansion de quatre fois.
Boyden affirme qu’il s’agit d’un niveau de clarté dont les biologistes ont besoin. « La biologie est fondamentalement, en fin de compte, une science à l’échelle nanométrique », dit-il. « Les biomolécules sont à l’échelle nanométrique, et les interactions entre les biomolécules se font sur des distances nanométriques. Bon nombre des problèmes les plus importants en biologie et en médecine impliquent des questions à l’échelle nanométrique. » Plusieurs types de microscopes sophistiqués, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients, peuvent mettre en lumière ce type de détails. Mais ces méthodes sont coûteuses et nécessitent des compétences spécialisées, ce qui les rend inaccessibles à la plupart des chercheurs. « La microscopie d’expansion démocratise la nano-imagerie »,dit Boyden.« Maintenant, n’importe qui peut aller regarder les éléments constitutifs de la vie et comment ils sont liés les uns aux autres. »
Autonomiser les scientifiques
Depuis que l’équipe de Boyden a présenté la microscopie d’expansion en 2015, des groupes de recherche du monde entier ont publié des centaines d’articles faisant état de découvertes qu’ils ont faites en utilisant la microscopie d’expansion. Pour les neuroscientifiques, la technique a mis en lumière les complexités des circuits neuronaux élaborés, a révélé comment certaines protéines s’organisent au niveau des synapses et à travers celles-ci pour faciliter la communication entre les neurones, et a mis en évidence les changements associés au vieillissement et aux maladies.
Elle a été tout aussi stimulante pour les études au-delà du cerveau. Sabrina Absalon utilise la microscopie d’expansion chaque semaine dans son laboratoire de l’Indiana University School of Medicine pour étudier le parasite du paludisme,un organisme unicellulaire rempli de structures spécialisées qui lui permettent d’infecter et de vivre à l’intérieur de ses hôtes.Le parasite est si petit que la plupart de ces structures ne peuvent être observées avec un microscope optique ordinaire. « En tant que biologiste cellulaire, je perds le plus grand outil pour déduire la fonction des protéines, l’architecture des organites, la morphologie, liée à la fonction, et toutes ces choses — qui est mon œil », dit-elle. Grâce à l’expansion, elle peut non seulement voir les organites à l’intérieur d’un parasite du paludisme, mais elle peut aussi les observer s’assembler et suivre ce qui leur arrive lorsque le parasite se divise.Comprendre ces processus,dit-elle,pourrait aider les développeurs de médicaments à trouver de nouvelles façons d’interférer avec le cycle de vie du parasite.
Absalon ajoute que l’accessibilité de la microscopie d’expansion est particulièrement importante dans le domaine de la parasitologie, où beaucoup de recherches se font dans des régions du monde où les ressources sont limitées. Des ateliers et des programmes de formation en Afrique,en Amérique du Sud et en Asie permettent de s’assurer que la technologie atteigne les scientifiques dont les communautés sont directement touchées par le paludisme et d’autres parasites. « Maintenant, ils peuvent obtenir une imagerie à super-résolution sans équipement très sophistiqué », dit Absalon.
Amélioration continue
Depuis 2015, le groupe de laboratoire interdisciplinaire de Boyden a trouvé diverses façons créatives d’améliorer la microscopie d’expansion et de l’utiliser de nouvelles façons. Leur technique standard permet aujourd’hui un meilleur marquage, des facteurs d’expansion plus importants et une imagerie à plus haute résolution. Les caractéristiques cellulaires situées à moins de 20 nanomètres les unes des autres peuvent maintenant être suffisamment séparées pour apparaître distinctes sous un microscope optique.Ils ont également adapté leurs protocoles pour qu’ils fonctionnent avec une gamme de types d’échantillons importants, des vers ronds entiers (populaires auprès des neuroscientifiques, des biologistes du développement et d’autres chercheurs) aux échantillons cliniques.À cet égard,ils ont montré que l’expansion peut aider à révéler des signes subtils de maladie,ce qui pourrait permettre des diagnostics plus précoces ou moins coûteux.
À l’origine, le groupe a optimisé son protocole pour visualiser les protéines à l’intérieur des cellules, en marquant les protéines d’intérêt et en les ancrant à l’hydrogel avant l’expansion. Grâce à une nouvelle façon de traiter les échantillons, les utilisateurs peuvent maintenant re-colorer leurs échantillons dilatés avec de nouveaux marqueurs pour de multiples cycles d’imagerie, afin de pouvoir identifier les positions de douzaines de protéines différentes dans le même tissu.Cela signifie que les chercheurs peuvent visualiser comment les molécules sont organisées les unes par rapport aux autres et comment elles pourraient interagir, ou examiner de grands ensembles de protéines pour voir, par exemple, ce qui change avec la maladie.
Mais de meilleures vues des protéines n’étaient que le début pour la microscopie d’expansion. « Nous voulons tout voir », dit Boyden.« Nous aimerions voir toutes les biomolécules qui existent, avec une précision à l’échelle atomique. » Ils n’en sont pas encore là, mais grâce à de nouvelles sondes et à des procédures modifiées, il est maintenant possible de voir non seulement les protéines, mais aussi l’ARN et les lipides dans les échantillons de tissus dilatés.
Le marquage des lipides, y compris ceux qui forment les membranes entourant les cellules, signifie que les chercheurs peuvent maintenant voir des contours clairs des cellules dans les tissus dilatés. grâce à la résolution améliorée qu’offre l’expansion, même les projections minces des neurones peuvent être tracées à travers une image. En général, les chercheurs se sont appuyés sur la microscopie électronique, qui génère des images d’une précision exquise, mais qui nécessite un équipement coûteux, pour cartographier les circuits du cerveau. « Maintenant,vous pouvez obtenir des images qui ressemblent beaucoup à des images de microscopie électronique,mais sur de vieux microscopes optiques ordinaires — le genre auquel tout le monde a accès »,dit Boyden.
Boyden affirme que l’expansion peut être puissante en combinaison avec d’autres outils de pointe. Lorsque des échantillons dilatés sont utilisés avec une méthode d’imagerie ultra-rapide mise au point par Eric Betzig, chercheur au HHMI à l’université de Californie à Berkeley, appelée microscopie à feuille de lumière en treillis, le cerveau entier d’une mouche à fruits peut être imagé à haute résolution en quelques jours seulement.
Et lorsque les molécules d’ARN sont ancrées dans un réseau d’hydrogel et ensuite séquencées sur place, les scientifiques peuvent voir exactement où, à l’intérieur des cellules, les instructions pour la construction de protéines spécifiques sont positionnées, ce que l’équipe de Boyden a démontré dans le cadre d’une collaboration avec le généticien de l’Université Harvard, George Church, et l’ancien professeur du MIT, Aviv Regev. « L’expansion améliore essentiellement la résolution de nombreuses autres technologies », dit Boyden. « Vous faites de l’imagerie par spectrométrie de masse, de l’imagerie aux rayons X ou de l’imagerie Raman ? L’expansion vient d’améliorer votre instrument. »
Élargir les possibilités
Dix ans après la première démonstration de la puissance de la microscopie d’expansion, Boyden et son équipe sont déterminés à continuer de rendre la microscopie d’expansion plus puissante. « Nous voulons l’optimiser pour différents types de problèmes, et il est toujours vital de rendre les technologies plus rapides, meilleures et moins chères », dit-il. Mais l’avenir de la microscopie d’expansion sera également propulsé par des innovateurs extérieurs au laboratoire de Boyden. « L’expansion n’est pas seulement facile à faire, elle est facile à modifier — donc beaucoup d’autres personnes améliorent l’expansion en collaboration avec nous, ou même par elles-mêmes », dit Boyden.
Boyden souligne qu’un groupe dirigé par Silvio Rizzoli au Center médical universitaire de Göttingen en Allemagne, en collaboration avec Boyden, a adapté le protocole d’expansion pour discerner les formes physiques des protéines.Au korea Advanced Institute of Science and Technology, des chercheurs dirigés par Jae-Byum Chang, un ancien postdoctorant du groupe de Boyden, ont mis au point une méthode pour dilater des corps entiers d’embryons de souris et de jeunes poissons zèbres, en collaborant avec Boyden pour préparer le terrain à l’examen des processus de développement et des connexions neuronales à longue distance avec un nouveau niveau de détail. Et la cartographie des connexions au sein des circuits neuronaux denses du cerveau pourrait devenir plus facile grâce à la connectomique basée sur la microscopie optique, une approche développée par Johann Danzl et ses collègues de l’Institute of Science and Technology en Autriche, qui tire parti à la fois de la haute résolution et de l’information moléculaire que la microscopie d’expansion peut révéler.
« La beauté de l’expansion, c’est qu’elle vous permet de voir un système biologique jusqu’à ses plus petits éléments constitutifs », dit Boyden.
Son équipe a l’intention de pousser la méthode jusqu’à ses limites physiques et prévoit de nouvelles possibilités de découverte au fur et à mesure qu’elle le fera. « Si vous pouvez cartographier le cerveau ou tout système biologique au niveau des molécules individuelles, vous pourriez être en mesure de voir comment elles fonctionnent ensemble en tant que réseau — comment la vie fonctionne réellement », dit-il.
Microscopie d’Expansion : Révolutionner l’Imagerie Biologique
L’imagerie cérébrale a connu d’énormes progrès au cours des dernières années. La microscopie d’expansion (ExM), une technique développée par Edward Boyden et son équipe au MIT, représente une avancée majeure. Cette méthode révolutionnaire permet d’agrandir physiquement les échantillons biologiques, offrant ainsi une vue détaillée sans précédent du cerveau et d’autres systèmes biologiques.
Comment fonctionne la microscopie d’expansion ?
La microscopie d’expansion repose sur un processus en quatre étapes clés :
- Infusion avec un hydrogel : Le tissu est imprégné d’un hydrogel, une substance absorbant l’eau.
- Ancrage des biomolécules : Les composants du tissu, comme les protéines, sont liés au gel, ce qui les préserve durant l’expansion.
- Ramollissement chimique : Le tissu est traité chimiquement.
- Expansion à l’eau : L’hydrogel absorbe l’eau, dilatant le tissu jusqu’à 20 fois sa taille d’origine, tout en conservant la position relative de ses composants.
Avantages de la microscopie d’expansion
Résolution améliorée : Permet de distinguer des objets séparés de seulement 20 nanomètres.
Accessibilité : Démocratise la nano-imagerie, rendant possible l’observation des constituants de la vie à tous les chercheurs, même avec l’équipement de microscopie conventionnel.
Applications variées : Utilisée dans l’étude du cerveau, des maladies rénales, des parasites (paludisme), et plus encore.
Potentiel de diagnostic : Peut révéler des signes subtils de maladie.
Applications de l’ExM
| Application | Bénéfices |
| —————————— | ————————————————————————————————————- |
| Neurosciences | Complexité des circuits neuronaux, organisation des protéines, changements liés au vieillissement et aux maladies. |
| Parasitologie (Malaria) | Observation des structures internes des parasites, compréhension de leur cycle de vie. |
| Développement de médicaments | Aide au développement de nouveaux traitements en comprenant le fonctionnement des biomolécules. |
| Diagnostic médical | Dépistage des maladies pour des diagnostics plus précoces et moins coûteux. |
Questions Fréquentes (FAQ)
Qu’est-ce que la microscopie d’expansion ?
Une technique d’imagerie qui agrandit physiquement les échantillons biologiques pour une observation plus détaillée.
Qui a développé la microscopie d’expansion ?
Edward Boyden et son équipe au MIT.
Quelle est l’échelle d’agrandissement possible ?
Jusqu’à 20 fois la taille originale de l’échantillon.
Quels types d’échantillons peuvent être imagés avec l’ExM ?
Tissus cérébraux, parasites, cellules végétales et bien d’autres.
Quels sont les avantages de cette technique ?
haute résolution, accessibilité, et applications diversifiées, notamment dans le diagnostic médical.
