Actualités

Dans un projet en collaboration avec le RIKEN (centre de biologie quantitative, Japon), Olympus Corporation (Président : Hiroyuki Sasa), à travers sa division Solutions Scientifiques, a développé une nouvelle technologie de microscopie de fluorescence en super résolution, qui permet d'observer l'ultrastructure des cellules vivantes avec une réduction significative de la durée d'acquisition des images.

Lors de la réalisation d'observations microscopiques, il existe certaines limites dans la résolution spatiale,^*1 c'est-à-dire la capacité à observer un objet avec des détails précis. La résolution spatiale d'un microscope optique général est d'environ 200 nm maximum.^*2 La microscopie en super résolution a dépassé ces limites, permettant l'observation de structures plus fines. Le prix Nobel de chimie 2014 a été attribué à des chercheurs sur des techniques de microscopie de fluorescence à résolution élevée, pour leur invention révolutionnaire qui a permis de réaliser des progrès importants dans la recherche des sciences de la vie.

Notre nouvelle technologie a permis d'obtenir une résolution spatiale d'environ 100 nm, équivalente à celle obtenue dans la microscopie à illumination structurée (SIM),^*3 l'une des quelques techniques de microscopie de fluorescence en super résolution, avec une résolution temporelle d'1/100 seconde.^*4 La nouvelle technologie permet l'imagerie de dynamiques rapides d'organites^*5, qui se déplacent activement dans les cellules vivantes.Cette fonction était inaccessible avec les techniques de fluorescence en super résolution conventionnelles, car la durée requise pour l'acquisition des images va d'environ 1 seconde à plusieurs minutes.Ce grand bond en avant dans la microscopie de fluorescence en super résolution devrait augmenter de façon significative notre compréhension des phénomènes biologiques.

Cette technologie peut être obtenue par la modification des microscopes confocaux conventionnels*6 et on s'attend à ce que l'appareil puisse être facilement installé, en comparaison avec d'autres microscopes de fluorescence à résolution élevée pré-existants.

La version en ligne de l'article sur la technologie a été publiée (25 février) avant l'édition imprimée qui sera publiée dans l'édition du 1er mai de « Molecular Biology of the Cell », le journal de l'American Society for Cell Biology.

Notes :
*1 : La capacité à distinguer deux points ou deux lignes. Des valeurs inférieures indiquent une résolution spatiale supérieure, ce qui permet d'observer des structures plus fines
*2 : Un nanomètre (nm) est égal à un millionième de millimètre
*3 : Une approche qui peut augmenter la résolution spatiale jusqu'à un facteur de 2 comparé à la microscopie conventionnelle en analysant les motifs d'interférence de moiré de 9 à 25 images, qui sont formées par la projection de motifs rayés
*4 : Le changement de temps minimum qui crée un changement perceptible dans l'image sous observation. Des valeurs inférieures indiquent une résolution temporelle supérieure, qui permet la distinction d'images changeantes à haute vitesse
*5 : Complexes sous-cellulaires possédant des structures et fonctions spécifiques, comme le réticulum endoplasmique, les appareils de Golgi et les mitochondries
*6 : Un type de microscope qui permet l'imagerie tridimensionnelle en concentrant un rayon d'excitation sur un échantillon, et en bloquant toute lumière fluorescente qui ne provient pas du point focal.

Division Solutions Scientifiques :
Les principaux produits d'Olympus Scientific Solutions comprennent des microscopes optiques, des endoscopes industriels, et des appareils de test non destructifs. Olympus participe à la R&D dans les soins de santé, les sciences de la vie et les domaines industriels, aux améliorations dans la qualité de contrôle sur les sites de production, et à la sécurité et la fiabilité des infrastructures sociales grâce à l'inspection des avions et des grandes usines industrielles.

(Matériaux de référence : présentation de la recherche)

<Contexte> :
Au XIXe siècle, un physicien allemand nommé Ernst Abbe et d'autres scientifiques ont démontré que la résolution spatiale d'un microscope optique était limitée à environ la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée (limite de diffraction) et on a cru pendant longtemps que le plus petit objet observable à l'aide d'un microscope à lumière visible mesurait 200 nm.Dès les années 2000, cependant, différents microscopes à fluorescence à super résolution ont été développés dans l'objectif d'obtenir une résolution spatiale dépassant la limite de diffraction.Ceci a mené à une résolution spatiale de 100 nm ou moins.Ces techniques de microscopie à super résolution, cependant, ont été synonymes de durée d'imagerie prolongée, ce qui ne les rendait pas adaptées pour l'imagerie des cellules vivantes.Ainsi, dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur le développement d'un microscope possédant une résolution temporelle d'1/100 s, ce qui rend possible l'imagerie des cellules vivantes.

<Technologie> :
L'analyse s'est concentrée sur la microscopie à illumination structurée (SIM), l'une des techniques de microscopie de fluorescence à super résolution conventionnelles.On a découvert des similitudes théoriques entre l'imagerie SIM et l'imagerie de microscopie confocale.Nous avons étudié ce sujet grâce à notre unité de balayage de disque (DSU) et avons découvert que les images en super résolution qui sont de qualité équivalente à celles de l'imagerie SIM peuvent être obtenues si le motif rayé d'un disque rotatif est modifié.Nous avons donc nommé cette technique « Spinning Disk Super-Resolution Microscopy (SDSRM) » (Figure 1).
Ensuite, à l'aide de perles fluorescentes, la résolution spatiale du système a été testée dans une expérience conçue pour vérifier le principe, et il a été déterminé, en accord avec les calculs théoriques, qu'une résolution spatiale d'environ 100 nm pouvait être obtenue (Figure 2).De plus, nous avons pu observer l'ultrastructure de cellules vivantes avec une résolution spatiale de 100 nm, à une vitesse d'obturateur maximale d'1/100 s (résolution temporelle) en modifiant la caméra et la source d'illumination pour les remplacer par des valeurs plus adaptées pour l'imagerie haute vitesse.

Figure 1. Diagrammes schématiques de microscope super-résolution à disque rotatif
Gauche : diagramme schématique du chemin optique. La lumière d'illumination (indiquée en bleu) et la lumière de l'échantillon (indiquée en vert) traversent la même position sur le disque, créant l'effet confocal.
Droite : diagramme schématique d'un motif rayé sur un disque. L'observation en super résolution a été rendue possible par la réalisation d'un motif rayé, plus fin que les motifs conventionnels.

Figure 2. Expérience de preuve de principe avec des perles fluorescentes
Gauche : image obtenue à l'aide d'un microscope de fluorescence conventionnel
Droite : image obtenue à l'aide d'un microscope super résolution à disque rotatif
(échelle, 500 nm)

<Résultats>
Le développement de la technique de microscopie à super résolution à disque rotatif a permis d'observer la dynamique de l'ultrastructure dans les cellules vivantes.Cette technique pouvant être réalisée en modifiant les microscopes confocaux conventionnels, l'introduction de l'appareil est plus simple comparée aux autres techniques de microscopie de fluorescence à super résolution déjà existantes.La poursuite du développement du principe de technique de microscopie à super résolution à disque rotatif devrait permettre son application à d'autres techniques de microscopie confocale en principe.

Informations sur l'article
Titre : Ultrafast superresolution fluorescence imaging with spinning disk confocal microscope optics (Imagerie de fluorescence à super résolution ultra-rapide avec optique de microscope confocal à disque rotatif)
Auteur : Shinichi Hayashi et Yasushi Okada
Journal : Molecular Biology of the Cell
DOI:10.1091/mbc.E14-08-1287 (publié en ligne avant impression)

Retour aux actualités