Un nano-radar pour l’imagerie cellulaire : microscopie 3D micro-ondes et fluorescence en milieu liquide
L’activité électrique des organites cellulaires, comme les mitochondries, joue un rôle clé en biologie et en médecine, mais reste mal comprise. Son lien avec le vieillissement, l’apoptose et des maladies comme le cancer ou le diabète soulève des questions essentielles. Développer une interface électronique large bande et calibrée permettrait d’explorer ces phénomènes et d’ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.
Les premiers travaux
En 2017, un consortium composé de l’IEMN, de l’Université de Californie Irvine, du Centre de médecine mitochondriale et épigénomique de l’Hôpital pour enfants de Philadelphie, aux États-Unis, réalise pour la première fois l’imagerie de mitochondries vivantes en utilisant la microscopie à balayage micro-ondes. Les mitochondries, isolées de cellules HeLa cultivées, sont fixées sur un support en graphène et maintenues en vie grâce à un buffer respiratoire qui leur fournit les nutriments nécessaires au cycle de Krebs. Les organites sont analysés par une mesure capacitive à une fréquence de 7 GHz.
Une interface nano-électronique à très large bande pour l’intérieur des cellules vivantes avec lecture intégrée par fluorescence de l’activité métabolique.
En 2020, le consortium réalise une avancée majeure en présentant la toute première connexion électrique large bande et calibrée à l’intérieur d’une cellule vivante intégrant une lecture par fluorescence de l’activité métabolique. Des étalons de calibration de la capacité à l’échelle nanométrique, intégrés sur puce, sont utilisés pour quantifier la réponse micro-ondes avec des images cellulaires obtenues à 22 GHz. Une telle interface ouvre de nombreuses perspectives pour l’intégration des sciences du vivant avec la nanoélectronique, notamment pour des tests électroniques des dynamiques du potentiel membranaire, l’activation nanoélectronique de processus cellulaires, ainsi que l’imagerie tomographique par nano-radar de la morphologie des organites vitaux au sein du cytoplasme, tout au long du cycle de vie cellulaire, dans différents environnements physiologiques et sous diverses conditions pharmacologiques.
Microscopie micro-ondes coaxiale 3D et fluorescence à super-résolution combinées : Preuve de concept d’imagerie de cellules vivantes en milieu liquide – Vers un nano-radar biologique.
En 2024, le même consortium poursuit ses travaux en développant une nouvelle preuve de concept de microscopie micro-ondes en 3D combinée à la fluorescence à super-résolution. Cette nouvelle version repose sur des sondes micro- ou nano-coaxiales afin de pallier au problème du couplage parasite. L’architecture coaxiale améliore la résolution spatiale et la sensibilité des mesures en réduisant l’absorption indésirable du signal micro-ondes par le milieu biologique. Ces avancées jettent les bases d’un véritable nano-radar biologique capable de sonder, en milieu liquide et en temps réel, les dynamiques électromagnétiques des organites cellulaires.
A suivre
En Janvier 2025, METAS, l’Institut fédéral de métrologie suisse, a rejoint le consortium en apportant son expertise dans le développement de sondes nano-coaxiales. Ces nouvelles sondes, issues des avancées en nano-fabrication sont actuellement en cours d’intégration. Leur déploiement vise à étendre les capacités du dispositif, tant en termes de résolution spatiale que de couverture spectrale. Par ailleurs, ces travaux ouvrent la voie à la conception d’un équipement métrologique de référence, destiné à garantir la traçabilité et la calibration des mesures micro-ondes à l’échelle nanométrique en environnement biologique. Ces développements offrent également de nouvelles perspectives en détection quantique radiofréquence en cours d’optimisation. L’objectif est d’explorer des régimes de mesure encore inaccessibles, avec une précision et une stabilité accrues.
(a) Un analyseur de réseau vectoriel micro-ondes (Keysight N5222A PNA) mesure le signal réfléchi par une pointe AFM métallique. Un scanner AFM standard est utilisé pour déplacer la pointe AFM au-dessus de l’échantillon étudié. (b) Le circuit électrique équivalent à l’extrémité de la sonde est principalement constitué de la capacité entre la pointe et le plan de masse, qui varie lorsque la pointe est déplacée. Cependant, des éléments parasites indésirables sont également présents. Bien qu’ils soient supposés constants lors du balayage de la pointe, ils doivent être calibrés afin d’obtenir une image corrigée. (c) Chambre d’échantillon contenant des cellules vivantes et des étalons calibrés, ainsi que le plan de masse électrique optiquement transparent (ITO). (d) Image MEB des disques de calibration. (e)Image superposée en champ clair et fluorescence d’une culture de cellules HeLa vivantes. Le marqueur fluorescent TMRE est utilisé pour indiquer le potentiel membranaire mitochondrial. (f)Photographie de la chambre d’échantillon.
Imagerie par microscopie micro-ondes d’une cellule HELA vivante en mode tapping.
Mise en œuvre du système pour la preuve de concept de la microscopie micro-ondes 3D coaxiale combinée à la fluorescence haute résolution.
(a) Mesure large bande au-dessus d’une plaque métallique avec une distance de séparation fixée à 80 μm. (b) Coefficient de réflexion complexe S11 mesuré en fonction de la position absolue en Z pour les fréquences de test 3,75375 GHz, 3,99335 GHz et 5,76040 GHz (MUT = cellules HeLa [ATCC CCL-2] dans un buffer physiologique, ZSTEP = 50 μm). IFBW = 100 Hz.
Références
[1] Li, Jinfeng, Zahra Nernati, Kamel Haddadi, Douglas C. Wallace, and Peter J. Burke. « Scanning microwave microscopy of vital mitochondria in respiration buffer. » In 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium-IMS, pp. 115-118. IEEE, 2018. https://hal.science/hal-03224648v1
[2] Ren, Dandan, Zahra Nemati, Chia-Hung Lee, Jinfeng Li, Kamel Haddadi, Douglas C. Wallace, and Peter J. Burke. « An ultra-high bandwidth nano-electronic interface to the interior of living cells with integrated fluorescence readout of metabolic activity. » Scientific reports 10, no. 1 (2020): 10756. https://hal.science/hal-03224644v1
[3] Lee, Chia-Hung, Kamel Haddadi, and Peter J. Burke. « Combined Super-Resolution Fluorescence and Coaxial 3-D Scanning Microwave Microscopy: Proof-of-Concept In-Liquid Live-Cell Imaging: Toward a Biological Nano-Radar. » IEEE Microwave and Wireless Technology Letters (2024). https://hal.science/hal-04815101v1
[4] Kamel Haddadi, IEEE Member, Clément Lenoir, Mohamed Sebbache, Chia-Hung Lee, Peter Burke, IEEE fellow. « Microwave Imaging with Open-Ended Coaxial Probes. » IEEE 2024 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS), Delft, Netherlands, (2024). https://hal.science/hal-04946860v1
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