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L’imagerie biomédicale optique a joué un rôle essentiel dans l’avancement de notre compréhension de la structure et de la fonction biologiques. Les images sont générées en modulant la lumière d’excitation et en détectant les signaux des interactions lumière-tissu. Le premier microscope composé, mis au point par Hans et Zacharias Janssen vers 1590, utilisait deux lentilles convexes dans un tube, offrant un grossissement jusqu’à 30x1. Les microscopes optiques modernes, après des siècles de progrès, peuvent maintenant atteindre des résolutions aussi fines que 1-3 nm 2,3. En plus d’offrir une haute résolution, les systèmes d’imagerie avancés offrent désormais une pénétration plus profonde des tissus, une plus grande efficacité et des dommages minimaux aux échantillons, ce qui les rend particulièrement adaptés à l’imagerie des cellules vivantes et des tissus. L’imagerie sans marquage est particulièrement avantageuse car elle permet de capturer des informations sans perturber les processus intracellulaires ni compromettre l’intégrité de l’échantillon.
La microscopie à fluorescence multiphotonique (MPF), en particulier la microscopie à fluorescence à deux photons, a été largement utilisée pour l’imagerie sans marquage. Contrairement à la microscopie à fluorescence conventionnelle, qui repose sur l’absorption et l’émission linéaires de photons uniques, l’excitation MPF implique l’absorption simultanée de plusieurs photons, dont l’énergie combinée excite une seule molécule de fluorophore 4,5. Ces photons, généralement dans le spectre infrarouge, possèdent la moitié ou moins de l’énergie requise pour l’excitation des photons uniques. Les longueurs d’onde plus longues et l’excitation localisée au point focal dans ce processus non linéaire entraînent une diffusion plus faible, une pénétration tissulaire plus profonde et une phototoxicité réduite.
L’information métabolique cellulaire peut être capturée par la microscopie MPF sans marquage grâce à la détection de signaux d’autofluorescence à partir de substrats métaboliques endogènes, tels que le nicotinamide adénine dinucléotide réduit (NADH) et la flavine adénine dinucléotide (FAD). Ces coenzymes présentent des spectres d’excitation et d’émission distincts, et leur rapport d’intensité de fluorescence, connu sous le nom de rapport redox (NADH/FAD), reflète l’état oxydatif de la cellule. Depuis que Britton Chance a introduit pour la première fois le concept du rapport redox en 1979, des rapports supplémentaires, y compris NAD(P)H/FAD, NAD(P)H/(FAD + NAD(P)H) et FAD/(FAD + NAD(P)H), ont été proposés 6,7,8,9. La quantification de ces rapports redox optiques via l’imagerie MPF fournit des informations précieuses sur la dynamique métabolique. Par exemple, l’imagerie MPF peut distinguer les cellules cancéreuses des cellules normales en fonction de leur métabolisme altéré, démontrant ainsi son potentiel pour le diagnostic du cancer 10,11,12. Cependant, la détection d’autofluorescence basée sur MPF présente des limites. D’autres fluorophores intrinsèques, tels que la kératine, peuvent contribuer à l’intensité de la fluorescence, entraînant une diaphonie spectrale et une interprétation inexacte du signal13. De plus, le rapport redox ne reflète que les changements globaux d’oxydoréduction cellulaire et ne fait pas de distinction entre le NADH provenant de différentes sources (p. ex., cytoplasmique ou mitochondriale) ou entre le NADH et le NAD(P)H, car les deux présentent des pics spectraux similaires à 450 nm, ce qui donne des signaux d’intensité mélangés14.
La génération de secondes harmoniques (SHG), un processus optique non linéaire démontré pour la première fois dans le domaine biomédical dans les années 1980, a été largement utilisé pour l’imagerie sans marquage des structures cellulaires15,16. Semblable à MPF, le SHG implique l’absorption simultanée de deux photons de la même énergie à partir d’un laser pulsé ultrarapide. Ces photons sont recombinés pour émettre un nouveau photon deux fois la fréquence de la lumière incidente, ce qui permet de détecter le signal de seconde harmonique. Cette interaction optique non linéaire se produit exclusivement dans les matériaux non centrosymétriques qui présentent une susceptibilité de second ordre non nulle à induire une polarisation pour générer le signal de seconde harmonique17,18. Cela rend SHG particulièrement efficace pour l’imagerie des protéines filamenteuses et des structures fibrillaires, telles que le collagène, la myosine et la tubuline, sans nécessiter de colorants de fluorescence exogènes 15,17,19,20. L’anomalie de l’abondance, de la rigidité, de l’alignement et de la structure de la fibrose et du collagène est répandue dans de nombreuses affections telles que l’inflammation et le cancer, ce qui fait du SHG un outil prometteur pour une détection efficace et non invasive de certaines maladies 21,22,23. L’application généralisée de l’imagerie SHG dans la recherche oncologique, y compris les études sur les cancers du sein, de l’ovaire et de la peau, a mis en évidence son rôle crucial dans la recherche fondamentale et les applications cliniques potentielles 24,25,26,27.
Différentes molécules présentent des niveaux d’énergie vibratoire distincts, qui induisent divers degrés de diffusion inélastique lorsqu’elles sont excitées par la lumière incidente - un phénomène caractérisé pour la première fois par C. V. Raman en 192828. L’effet Raman a depuis été largement utilisé en microscopie optique pour la détection de compositions moléculaires et tissulaires sans marquage exogène. La diffusion Raman stimulée (SRS) et la diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS) excitent toutes deux des vibrations moléculaires de manière cohérente et exploitent l’interaction non linéaire de la lumière pour produire un signal plus fort par rapport à la spectroscopie Raman spontanée conventionnelle. Le phénomène de la SRS a été signalé pour la première fois en 196229. En 2008, ce mécanisme a été intégré à l’imagerie multiphotonique tridimensionnelle, permettant la détection sélective de produits chimiques en fonction des changements d’intensité dans les faisceaux de la pompe et de Stokes dus aux transitions vibrationnelles moléculaires30. Cette méthode minimise les interférences de fond non résonnantes, générant un signal d’intensité propre qui dépasse celui des CARS. L’imagerie SRS excelle dans la fourniture d’une imagerie multiplexée et hyperspectrale, permettant la détection simultanée de plusieurs liaisons chimiques et permettant une visualisation à haute résolution de la composition moléculaire dans des échantillons avec une profondeur de pénétration considérable. Bien qu’il s’agisse d’une technique relativement nouvelle, l’imagerie SRS s’est avérée efficace à la fois dans le diagnostic clinique et la recherche métabolique, in vivo et in vitro30,31,32,33,34,35,36. Par exemple, la SRS peut différencier les tissus infiltrés dans les tumeurs cérébrales du cortex et de la substance blanche en quantifiant le rapport lipides/protéines, ce qui permet de délimiter les marges tumorales de manière non invasive et sans marquage 37,38. De plus, les altérations métaboliques, souvent considérées comme des caractéristiques des maladies liées au vieillissement et au cancer, peuvent être évaluées quantitativement à l’aide de la SRS obtenue en détectant les liaisons carbone-deutérium dans des échantillons traités à l’eau lourde (D2O), permettant une mesure quantitative de la synthèse des protéines, de la lipogenèse et d’autres processus métaboliques macromoléculaires 31,33,34,35,36. La capacité de suivre les métabolites avec une résolution temporelle et spatiale élevée positionne la SRS comme un outil prometteur pour l’investigation et le diagnostic des maladies, avec un potentiel d’applications cliniques plus larges.
L’imagerie multimodale est devenue une approche puissante dans la recherche biomédicale, intégrant deux ou plusieurs modalités d’imagerie pour obtenir une compréhension plus complète des systèmes biologiques complexes au sein d’un même échantillon. En 2018, une technique de microscopie à autofluorescence-multiharmonique (SLAM) sans marquage a été introduite, intégrant la fluorescence à deux photons (2PF), la fluorescence à trois photons (3PF), le SHG et la génération de troisième harmoniques (THG)39. Cette approche facilite la visualisation simultanée des interactions cellulaires, des processus dynamiques et des composants individuels au sein du microenvironnement tumoral. La microscopie SLAM offre une perturbation minimale et des exigences de puissance laser réduites pour l’échantillon, ce qui permet le profilage des tissus profonds et fournit une méthode plus sûre pour la surveillance intravitale40. Une autre modalité multimodale, combinant la spectroscopie de fluorescence intrinsèque, la spectroscopie de réflectance diffuse et la spectroscopie Raman, a été développée pour la détection in situ du cancer pendant les procédures chirurgicales41. De plus, un système d’endoscopie non linéaire multimodal récemment conçu, qui intègre CARS, SHG et la fluorescence à deux photons (TPF), a démontré sa capacité à imager des échantillons biologiques à une résolution spatiale submicronique et subcellulairede 42. La microscopie combinée 2PF et SRS a également été utilisée pour l’imagerie in vivo à haute résolution des tissus, des cellules et des organites 42,43,44,45. Ces techniques d’imagerie multimodale émergentes exploitent les forces de différentes modalités, ce qui permet d’améliorer la résolution, la profondeur de pénétration et l’efficacité de l’acquisition d’images, montrant ainsi un potentiel considérable pour les applications cliniques et chirurgicales.
Cette approche multimodale est de plus en plus privilégiée par rapport à l’imagerie monomodale, car elle offre une gamme plus large de mesures tout en atténuant les limites associées aux techniques individuelles. Comme nous l’avons vu précédemment, le MPF mesure la fluorescence endogène pour refléter les changements métaboliques, le SHG peut imager des structures non centrosymétriques telles que le collagène dans des échantillons biologiques, et le SRS détecte principalement les protéines et les lipides en raison de la forte densité de liaisons chimiques qui génèrent des signaux Raman distinctifs en fonction de leurs modes vibrationnels. Compte tenu de leurs propriétés cohérentes et du principe commun des propriétés optiques non linéaires, ces modalités d’imagerie peuvent être intégrées dans une seule configuration de microscope à l’aide de lasers pulsés ultracourts, permettant l’acquisition de divers biomarqueurs dans des régions localisées pour fournir une vue plus complète des processus biologiques44,45. Cet article décrit un protocole pour la mise en œuvre d’une plate-forme d’imagerie multimodale qui intègre MPF, SHG et SRS pour des applications de recherche biomédicale.