Stocker de la lumière dans des nanoparticules : une révolution pour l’imagerie in vivo

Les chercheurs de l’Unité de technologies chimiques et biologiques pour la santé (UTCBS-CNRS/Inserm/Université Paris Descartes/Chimie Paris Tech) ont mis au point un procédé très prometteur pour l’évolution de l’imagerie in vivo.

Les sondes pour l’imagerie in vivo de tumeurs, de la vascularisation ou de cellules greffées sont des molécules fluorescentes qui émettent de la lumière pendant des temps très courts. Cette lumière émise étant la clé pour visualiser l’organe ou la tumeur en question, il faut exciter en permanence ces sondes dans le corps de l’animal, ce qui génère un bruit de fond qui vient troubler l’observation. Aujourd’hui, les chercheurs de l’unité proposent des nanoparticules pouvant stocker et restituer la lumière pendant plusieurs heures dans la zone de transparence des tissus biologiques. Ces travaux menés en collaboration avec l’Institut de recherche de chimie Paris (IRCP-CNRS/Chimie Paris Tech/Ministère de la culture et de la communication) et Biospace Lab (1) sont parus dans la revue Nature Materials en mars 2014.

L’imagerie optique in vivo est une technique en pleine expansion qui peut être utilisée dans des études précliniques et cliniques pour imager des zones d’intérêt (organes, pathologies), pour évaluer l’efficacité de traitements ou pour l’aide à l’intervention chirurgicale. En utilisant des sondes optiques appropriées, il va être possible d’imager ces zones en temps réel, avec une bonne sensibilité et à un très faible coût. Actuellement, les seules sondes commercialisées pour l’imagerie optique in vivo sont des molécules ou nanoparticules fluorescentes qui émettent des photons pendant des temps très courts, de l’ordre de la dizaine de nanosecondes. Pour les visualiser, il est donc nécessaire de les exciter en permanence dans le corps de l’animal, ce qui a pour inconvénient majeur de générer un bruit de fond non négligeable : l’excitation simultanée des biomolécules présentes dans l’organisme elles-mêmes fluorescentes. Ce signal parasite est responsable d’une diminution de la sensibilité au moment de la détection et limite la visualisation des zones dans lesquelles il y a peu de signal.

Pour pallier à cet inconvénient, l’équipe de l’UTCBS emmenée par Daniel Scherman, en collaboration avec Didier Gourier et Bruno Viana de l’Institut de Recherche de Chimie ParisTech (CNRS UMR 8247) et Biospace Lab, conçoit depuis plusieurs années des nanoparticules aux propriétés optiques originales. Ces matériaux peuvent stocker l’énergie lumineuse d’excitation et la restituer lentement pendant plusieurs heures dans la zone de transparence des tissus biologiques. Cette propriété a été valorisée par Biospace Lab lors d’un travail pionnier en 2007 (2). La composition de cette première génération de nanoparticules, excitée ex vivo par des rayonnements UV, a été optimisée sans toutefois permettre de suivre les sondes in vivo sur des temps supérieurs à 2 ou 3 heures après l’injection au petit animal (3).

Un nouveau grand pas vient d’être  franchi par la conception d’une nouvelle génération de nanoparticules excitables in vivo dans le corps de l’animal grâce à un rayonnement visible de faible énergie, capable de traverser les tissus et d’être stocké au sein des nanoparticules. Celles-ci émettent ensuite un signal de luminescence pendant plusieurs heures, ce qui permet de les détecter avec une excellente sensibilité, sans contrainte de temps et de répéter l’opération autant de fois que nécessaire. Une comparaison avec des sondes commerciales a démontré une sensibilité de détection jusqu’à 8 fois supérieure avec ce type de nanoparticules à luminescence persistante. Une fonctionnalisation de surface appropriée permet de les injecter à l’animal et de les suivre au cours du temps après ré-excitation. Des études préliminaires ont montré qu’en utilisant ces sondes, il était possible d’imager des tumeurs ou de suivre des cellules marquées (Figure ci-dessous).

Ce travail ouvre de larges perspectives d’applications de cette nouvelle sonde optique, notamment pour des biologistes ou pharmacologues impliqués dans le diagnostic du cancer, mais aussi pour suivre le tropisme de cellules souches ou des cellules lymphocytaires, musculaires ou endothéliales dans des essais de thérapie cellulaire, ou encore pour étudier l’activité du tractus gastro-intestinal après administration orale de ces nanoparticules à luminescence persistante.

Stocker de la lumière dans des nanoparticules : une révolution pour l'imagerie in vivo

Figure. A : Nanoparticules fonctionnalisées en surface par des groupements PEG, injectées par voie intraveineuse à une souris porteuse de tumeurs implantées en sous-cutané (T), puis excitées dans le corps de l’animal 4 heures après injection. Le signal de luminescence persistante, détecté grâce à une caméra Optima (Biospace Lab) est localisé dans le système réticulo-endothélial (L), mais également dans les différentes tumeurs (T). B : Cellules de macrophages murins, marquées ex vivo par les nanoparticules fonctionnalisées en surface par des groupements amines, injectées dans la veine de la queue d’une souris saine et observées 15 min après injection. Le signal de luminescence indique une localisation des cellules au niveau des poumons de la souris.

  1. Biospace Lab est un PME parisienne qui commercialise des appareils d’imagerie du petit animal.
  2. Nanoprobes with near-infrared persistent luminescence for in vivo imaging, PNAS, 29 mai 2007, DOI: 10.1073/pnas.0702427104
  3. Controlling Electron Trap Depth To Enhance Optical Properties of Persistent Luminescence Nanoparticles for In Vivo Imaging, JACS, 24 juin 2011, DOI: 10.1021/ja204504w

 


Référence

Thomas Maldiney, Aurélie Bessière, Johanne Seguin, Eliott Teston, Suchinder K. Sharma, Bruno Viana,Adrie J.J. Bos, Pieter Dorenbos,Michel Bessodes,Didier Gourier, Daniel Scherman, Cyrille Richard The in vivo activation of persistent nanophosphors for the optical imaging of vascularization, tumors and grafted cells. Nature Materials, 21 mars 2014, vol 13, 418-426, DOI:10.1038/nmat3908

Contacts :
Daniel Scherman, Unité de technologies chimiques et biologiques pour la santé, Paris – Courriel : daniel.scherman@parisdescartes.fr
Cyrille Richard, Unité de technologies chimiques et biologiques pour la santé, Paris – Courriel : cyrille.richard@parisdescartes.fr

 

Article rédigé par l’équipe du Professeur Scherman