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Laboratory equipment, microscope and computers. Brain models on screens. Rear view of scientist
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La microscopie multi-photon au service des maladies

Chiara
Chiara Stringari
chercheuse au Laboratoire d’optique et de biosciences (LOB*) de l’École polytechnique (IP Paris)
En bref
  • Pour comprendre les mécanismes et les processus physiologiques fondamentaux comme ceux de plusieurs pathologies, il est primordial d’observer l’activité métabolique cellulaire en temps réel avec une résolution subcellulaire.
  • En Biologie, il est courant de « taguer » des molécules avec des marqueurs de fluorescence, mais cela est une technique invasive, car on doit « rentrer » dans la cellule.
  • Cependant, il existe des molécules fluorescentes déjà présentes dans les cellules, que l’on peut stimuler, sans pour autant les intégrer artificiellement et interférer avec le système vivant.
  • Acquérir ce type de connaissance ouvre la voie à de nombreuses applications en médecine, car cela permet de cartographier le métabolisme des cellules — indicateur de leur activité. Ce qui, par exemple, permet l’identification du métabolisme de cellules cancéreuses, susceptibles de développer de nombreuses formes de cancers.

Chiara Stringari, chercheuse au Lab­o­ra­toire d’optique et de bio­sciences de l’École poly­tech­nique (LOB), joue à la fron­tière de dif­férentes dis­ci­plines sci­en­tifiques. Son but : dévelop­per des tech­niques inno­vantes d’observation micro­scopique per­me­t­tant de car­togra­phi­er l’activité métabolique des cel­lules et des tis­sus avec plus de pré­ci­sion. Pour cela, elle emploie une tech­nique qui se base sur la micro­scopie optique à deux pho­tons. Ces deux pho­tons sont pro­jetés sur la cel­lule ciblée, au tra­vers d’un laser, afin de faire réa­gir une molécule de cette cel­lule, la ren­dant vis­i­ble par flu­o­res­cence. Le fonc­tion­nement d’une cel­lule saine est déter­miné par l’activité des molécules en son sein. Les observ­er et car­ac­téris­er leur temps de vie de flu­o­res­cence avec plus de pré­ci­sion, nous per­met d’en iden­ti­fi­er leur sig­na­ture molécu­laire ain­si que leur fonc­tion­nement nor­mal, et, par la suite, d’en établir un diagnostic. 

Il est pri­mor­dial d’observer l’activité métabolique cel­lu­laire en temps réel avec une réso­lu­tion sub­cel­lu­laire, pour com­pren­dre les mécan­ismes et les proces­sus phys­i­ologiques fon­da­men­taux comme ceux de plusieurs patholo­gies. Pour se faire, il est courant de « taguer » des molécules avec des mar­queurs de flu­o­res­cence, mais cela néces­site une tech­nique inva­sive, car on doit « ren­tr­er » dans la cel­lule. Or, une tech­nique inva­sive aura tou­jours, même si très min­ime, un impact sur l’organisme observé. Mais Chiara Stringari, elle, exploite les molécules flu­o­res­centes déjà présentes dans les cel­lules — notam­ment NADH et FAD présentes dans toutes nos cel­lules vivantes et don­nant une infor­ma­tion sur le métab­o­lisme — de façon à pou­voir les stim­uler, sans pour autant les inté­gr­er arti­fi­cielle­ment et inter­fér­er avec le sys­tème vivant. Cette tech­nique n’en est encore qu’à sa phase pré­clin­ique. Les tests sur humain n’ont donc pas encore débuté, les expéri­ences se lim­i­tent encore au stade in vit­ro (sur des organ­ismes arti­fi­ciels) et in vivo (en par­ti­c­uli­er sur le pois­son-zèbre et la souris).

Exem­ple d’u­til­i­sa­tion de micro­scopie à deux pho­tons sur un pois­son-zèbre. Source : Chiara Stringari1

Observer la molécule, sans la « taguer »

Pass­er out­re l’étape du « tag » rend donc cette tech­nique en développe­ment aus­si inno­vante qu’utile. « C’est le cœur de mes recherch­es, insiste Chiara Stringari, dévelop­per de nou­velles méth­odes, util­isant l’optique non linéaire, nous don­nant accès à des infor­ma­tions nou­velles, tout en util­isant des con­trastes ou des bio­mar­queurs endogènes — provo­quant un con­traste suff­isant, pour ren­dre l’utilité de taguer obsolète —, de façon à ce que cette tech­nique soit la moins inva­sive pos­si­ble. » La pos­si­bil­ité d’observer l’activité des molécules, comme celle de toutes autres cel­lules de notre organ­isme, au plus près, nous per­met ain­si de com­pren­dre leur développe­ment, sans porter poten­tielle­ment atteinte aux sys­tèmes biologique observés. 

Micro­scopie de flu­o­res­cence excitée à deux pho­tons de NADH et FAD dans la cel­lule souche de l’épi­derme d’une peau recon­stru­ite. Source : Chiara Stringari2
La micro­scopie à durée de vie de flu­o­res­cence excitée à deux pho­tons du NADH et du FAD révèle des gra­di­ents métaboliques dans la peau recon­stru­ite. Source : Chiara Stringari3

Acquérir ce type de con­nais­sance ouvre la voie à de nom­breuses appli­ca­tions en médecine, car cela per­met de car­togra­phi­er le métab­o­lisme des cel­lules — indi­ca­teur de leur activ­ité. « D’autant que le métab­o­lisme, qui est très impor­tant pour le développe­ment, agit sur l’épigénétique, pré­cise-t-elle. Le car­togra­phi­er nous per­met d’en faire un mod­èle, et de mieux com­pren­dre l’intérêt et le rôle des dif­férentes con­nex­ions entre cel­lules. Et donc d’en com­pren­dre les inter­ac­tions qu’elles ont avec leur envi­ron­nement. » Cela, par ailleurs, per­met l’identification du métab­o­lisme des cel­lules can­céreuses, sus­cep­ti­bles de dévelop­per de nom­breuses formes de can­cers. « Les bio­mar­queurs util­isés ont per­mis de dis­soci­er les cel­lules saines des cel­lules can­céreuses. Nous per­me­t­tant ensuite d’établir des sous-types de métab­o­lismes phéno­typ­iques de cancer. » 

« Mieux comprendre le fonctionnement de nos cellules cérébrales »

« L’objectif n’étant pas le diag­nos­tic, cette tech­nique lui apporte, pour autant, de nom­breux out­ils pour le faciliter. Mais selon moi, le plus impor­tant reste de mieux com­pren­dre le fonc­tion­nement de nos cel­lules cérébrales. »

Ces obser­va­tions nous don­nent des infor­ma­tions rel­a­tives à l’environnement des molécules. Ce qui per­met de com­pren­dre com­ment elles inter­agis­sent avec celui-ci, et com­ment il les active. Les chercheurs font une mesure expéri­men­tale à une échelle sub­cel­lu­laire (< 1 µm), afin d’en établir une carte du métab­o­lisme et d’identifier le manque ou l’abondance de cer­taines molécules dans nos cel­lules. D’autant que « chaque cel­lule a comme une sorte d’empreinte dig­i­tale de son métab­o­lisme. » 

À l’aide d’une autre tech­nique sans mar­quage — celle de la généra­tion de troisième har­monique, com­plé­men­taire à celle de flu­o­res­cence à deux pho­tons —, Chiara Stringari tra­vaille notam­ment sur l’imagerie de la myé­line, une gaine lipidique entourant les neu­rones, qui est « très impor­tante dans la con­nex­ion et le sup­port métabolique des neu­rones, nous pré­cise-t-elle. Étudi­er une représen­ta­tion 3D de myé­lines per­met la com­préhen­sion de l’impact que sa dégra­da­tion peut avoir sur le métab­o­lisme des neu­rones, en com­bi­nai­son avec les don­nées obtenues à l’aide de la tech­nique à deux pho­tons. Ce qui nous per­met d’en appren­dre plus sur notre cerveau, tout en don­nant des pistes pour la recherche dans le diag­nos­tic, les deux restant très com­plé­men­taires. » 

La sclérose en plaques est une mal­adie por­tant atteinte à la myé­line, provo­quant sa dégra­da­tion (démyélin­i­sa­tion) et une neu­rodégénéres­cence. Un tra­vail de recherche sur cette mal­adie, en con­di­tion ex vivo, a donc été entre­pris par Chiara Stringari et son équipe, dans l’optique d’établir « les con­séquences biologiques de la patholo­gie de la myé­line au niveau du métab­o­lisme cel­lu­laire et à celui des réseaux de neu­rones. » Com­par­er le fonc­tion­nement de phas­es dis­tinctes, la myélin­i­sa­tion et la démyélin­i­sa­tion, per­met d’en appren­dre plus sur son fonc­tion­nement, son activ­ité cel­lu­laire, et surtout sa réparation. 

En effet, nom­breuses sont les mal­adies provo­quées par la dégra­da­tion de cel­lules cérébrales, ce sont les mal­adies neu­rodégénéra­tives. Les études entre­pris­es par la chercheuse pour­ront aider dans l’identification de straté­gies thérapeu­tiques effi­caces. Et cela per­me­t­tra d’aller encore plus loin, en com­prenant com­ment une cel­lule enclenche sa dégra­da­tion, nous pour­rions, peut-être un jour, empêch­er ce processus. 

Propos recueillis par Pablo Andres
1Stringari C., Abde­ladim L., Malkin­son G., Mahou P., Soli­nas X., Lamarre I., Brizion S., Galey J.B, Supat­to W., Legouis R., Pena A.M., Beau­re­paire E. (2017)  Mul­ti­col­or two-pho­ton imag­ing of endoge­nous flu­o­rophores in liv­ing tis­sues by wave­length mix­ing Sci. Rep. 7(1):3792. https://www.nature.com/articles/s41598-017–03359‑8
2Ung T.P.L, Lim S., Soli­nas X., Mahou P., Ches­sel A., Mar­i­on­net C., Born­schlögl T., Beau­re­paire E., Bern­erd F., Pena A.M.*, Stringari C.* Simul­ta­ne­ous NAD(P)H and FAD Flu­o­res­cence Life­time Microscopy of long UVA–induced meta­bol­ic stress in recon­struct­ed human skin. Sci­en­tif­ic Report, Sci Rep. 2021 11(1):22171. https://www.nature.com/articles/s41598-021–00126‑8
3Stringari C., Abde­ladim L., Malkin­son G., Mahou P., Soli­nas X., Lamarre I., Brizion S., Galey J.B, Supat­to W., Legouis R., Pena A.M., Beau­re­paire E. (2017)  Mul­ti­col­or two-pho­ton imag­ing of endoge­nous flu­o­rophores in liv­ing tis­sues by wave­length mix­ing Sci. Rep. 7(1):3792. https://www.nature.com/articles/s41598-017–03359‑8