TPE
Fluorescence et radioactivité
à la rescousse de l'imagerie...

On a vu que les scientifiques cherchent toujours le moyen d'améliorer des techniques existantes pour qu'elles soient plus sélectives et plus précises (ou contrastées).
Sélective : cibler plus particulièrement un organe, des cellules ou un fonctionnement.
Précise : améliorer la qualité de l'image et son contraste.

 

Il n'existe en effet pas de système d'imagerie idéal. Chacun a ses avantages et ses inconvénients. Coût, dangerosité, précision et sélectivité. Plus de détails ici.
Nous nous proposons de montrer comment les scientifiques "dopent" les systèmes existants d'imagerie grâce aux phénomènes naturels que sont fluorescence et radioactivité, à travers.
Fluorescence :

Une molécule fluorescente (fluorophore), est une molécule qui restitue l'énergie absorbée, lors d'une excitation lumineuse optimale, sous la forme d'un rayonnement d'émission de longueur d'onde spécifique supérieure à celle d'excitation, car de moindre énergie, émis pendant une durée qui définit le temps nécessaire au retour à l'état fondamental de la molécule excitée (temps de relaxation). La fluorescence peut être naturelle (endogène) ou induite (exogène).

 


Marquage des noyaux de cellulles osseuses avec du DAPI (Phenylindole HCl qui réémet en 456nm., donc dans le bleu)

La première application clinique de l'imagerie de fluorescence a été l'angiographie de fluorescence rétinienne mise au point il y a plus de 40 ans par les ophtalmologistes pour dépister précocément la rétinopathie diabétique. Sur le même principe de mise en évidence d'altérations vasculaires minimes au niveau de lésions débutantes, Homasson réalisait des biopsies bronchiques guidées par fluorescence, après injection de fluorescéïne, dès 1985.

Ces examens se font principalement en endoscopie (bronchique ou digestive) et reposent sur la propriété des muqueuses à être moins fluorescentes quand elles sont envahies de cellules cancéreuses ou pré-cancéreuses. L'excitation se fait par lumière UV. Les résultats sont bien meilleurs pour les bronches que pour l'appareil digestif.

L'imagerie par fluorescence exogène utilise, elle, des marqueurs spécifiques, dont la longueur d'onde de réémission est connue. L'excitation se fait dans le visible ou le proche infrarouge, longueurs d'onde procurant des photons de plus grande énergie, dont pénétrant mieux les tissus (voir notre expérience).
Ces techniques commencent à être utilisées en endoscopie digestive avec un certain succès.

 

 

La GFP (Green Fluorescent Protein) :

C'est le sujet chaud de ces dernières années, qui a valu le prix nobel de Chimie 2008 à Messieurs Chimomura, Chalfie et Tsien. Cette protéine naturelle, découverte par Chimomura, est issue d'une méduse Aequorea victoria. Elle est naturellement fuorescente (émission de photons verts autour de 550 nm). L'avancée spectaculaire des 2 dernières décennies fut tout d'abord d'en faire un traceur par combinaison génétique (apport de Chalfie) puis de créer sur cette base une palette complète de couleurs. Tsien relève le défi de la couleur "rouge" en mettant au point d'autres protéines analogue à la GFP à partir d'études de coraux fluorescents.

 

Dans l'exemple ci-contre, des chercheurs ont coloré des cellules cancéreuses avec la protéine DsRED et les vaiseaux sanguins environnants avec la GFP.

Voir aussi : le brainbow...


La protéine GFP consiste en une longue chaîne de 238 acides aminés. A l'intérieur de la structure, les acides aminés 65, 66 et 67 forment le chromophore, le groupe chimique qui absorbe la lumière bleue et UV et qui fluoresce en vert.
Les Quantum Dots :    
Les Quantums dots, produits des nanotechnologies, sont des grains de matière de taille nanométrique (10-9 mètre) de quelques centaines d'atomes seulement (Or, silicium, Carbone, Cadmium, Gallium, etc...). Leur petite taille leur confère des propriétés de fluorescence naturelle qui font l'objet de nombreuses études actuellement. Leurs propriétés semi-conductrices sont également regardées de près car ils pourraient remplacer à terme les transistors de nos ordinateurs.

Ci-contre : image au microscope de spores bactériens (Bacillus subtilis) marqués par des nanoparticules de carbone fluorescentes. B. subtilis sert de modèle dans les recherches sur l'anthrax. Ces "carbon dots" sont des précurseurs à de meilleurs biosenseurs pour détecter de nouveaux agent pathologiques. L'échelle est 5 microns.
( Image courtesy of Dr. Ya-Ping Sun of Clemson University)

Les chimistes de l'Université de Clemson University ont développé un nouveau type de quantum dot, fait de carbone. Comme leurs homologues métalliques, ils brillent violemment quand ils sont exposés à la lumière. Aux dires des chercheurs, ils sont très prometteurs dans une large gamme d'applications, depuis les capteurs biologiques, jusqu'au diodes miniatures, en passant par les dispositifs d'imagerie médicale.

Les applications sont encore à l'état d'expérience sur l'animal. Il faudra prouver notamment l'innocuité de ces nanoparticules.

 

Quant à la phosphorescence (ou luminescance persistante), elle fait l'objet de nombreuses études fondamentales.
à noter cette thèse de 2008 (dont sont issues plusieurs images ci-dessus), qui fait un état de l'art très précis de ces techniques.
(Source : HAL, thèse de Quentin Le Masne de Chermont, déc. 2007, Paris VI, école doctorale Interbio).
Radioactivité :  

La scintigraphie est une méthode d'imagerie médicale qui procède par l'administration, dans l'organisme, d'isotopes radioactifs afin de produire une image médicale par la détection des rayonnements émis par ces isotopes après absorbtion par les organes à examiner.
Les traceurs les plus employés sont : technétium99 (pour les os), l'iode 123 (pour la thyroïde) ou le Thallium 201 (pour le coeur) .

L'image est faite par une gamma caméra (sensible au rayons gamma).

 

ci-contre, l'image d'une scintigraphie thyroïdienne montrant un nodule froid sur le lobe gauche (à droite sur l'image).

     
La Tomographie par Emission de Positons (TEP) fournit aux équipes médicales des diagnostics précoces dans le cas d'une maladie ou encore des informations supplémentaires aidant à déterminer si l'état d'un patient relève d'une intervention chirurgicale. En cancérologie, l'examen permet de suivre la réponse du patient à un traitement de radiothérapie ou de chimiothérapie et d'identifier d'éventuelles métastases.

Contrairement aux isotopes utilisés en scintigraphie, les radioéléments émetteurs de positons sont des éléments chimiques légers et abondants dans la matière vivante (oxygène, carbone, azote, etc...) ou des halogènes (fluor-18, brome-76) facilement incorporables à des molécules. Ils permettent de suivre le métabolisme de molécules qui jouent un rôle clé dans le corps humain. Par exemple, l'injection de fluorodésoxyglucose (FDG) marqué au fluor-18, permet l'étude de la consommation de glucose par les tissus (notamment le cerveau).

Une molécule aussi simple que l'eau, marquée à l'oxygène-15, permet de cartographier l'irrigation sanguine du cerveau et l'exploration de ses fonctions.

à noter aussi un sujet passionnant : doper la détection RMN grâce au Xénon hyper polarisé.
Voir aussi : nos expériences pratiques sur la lumière, ses composantes, la fluorescence et la phosphorescence.