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, ainsi que du Département de pédiatrie, Division de génétique humaine, de l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie, aux États-Unis, réalise pour la première fois l’imagerie électromagnétique 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. La vitalité des mitochondries est vérifiée par la mesure du potentiel membranaire à l’aide d’un colorant fluorescent sensible à la tension (TMRE). Les organites sont analysés par une mesure capacitive à une fréquence de 7 GHz. Cette étude repose sur plusieurs avancées techniques : le développement d’une méthode de microscopie champ-proche micro-ondes dans un environnement liquide conducteur, l’utilisation du mode tapping, qui moyenne les réflexions micro-ondes sur plusieurs cycles, une méthode interférométrique micro-ondes accordable, et l’exploitation de fréquences variables allant jusqu’à 18 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, les mêmes chercheurs réalisent une avancée majeure en présentant la toute première connexion électrique large bande et calibrée à l’intérieur d’une cellule vivante. Le cytoplasme d’une cellule vitale contient de nombreux organites dynamiques et électriquement actifs, tels que les mitochondries, les chloroplastes, les lysosomes et le réticulum endoplasmique, mais leur activité électrique reste encore mal comprise. Ils démontrent une interface nano-électronique à très large bande permettant d’accéder à l’intérieur des cellules vivantes, 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 sur une large gamme de fréquences, avec des images cellulaires obtenues à 22 GHz. L’interaction des champs électromagnétiques statiques et hautes fréquences avec les constituants cellulaires induit des courants de charges libres et une réorganisation locale des charges liées. Ainsi, cette approche permet une interface électronique calibrée, quantitative et nanométrique avec l’intérieur des cellules vivantes. 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, les mêmes chercheurs poursuivent leurs 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 le problème de suppression du couplage parasite rencontré avec des sondes en configuration planaire, permettant ainsi d’affiner la résolution spatiale et d’optimiser la mesure des propriétés électromagnétiques locales. L’architecture coaxiale améliore la sensibilité des mesures en réduisant l’absorption indésirable du signal micro-ondes par le milieu biologique, garantissant une meilleure fidélité des données recueillies. L’intégration avec des techniques avancées de microscopie à super-résolution renforce la corrélation entre les signaux optiques et micro-ondes, ouvrant la voie à une analyse plus précise des interactions électromagnétiques intracellulaires. 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 et leurs implications en biophysique, en médecine et en ingénierie biomédicale.
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 capables d’opérer jusqu’en régime millimétrique. Ces nouvelles sondes, issues des avancées en nano-fabrication et en ingénierie micro-ondes, sont actuellement en cours d’intégration et de tests pour évaluer leurs performances et leur compatibilité avec les systèmes existants. Leur déploiement vise à étendre les capacités du dispositif, tant en termes de résolution spatiale que de couverture spectrale, afin d’atteindre un équipement à l’état de l’art. 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.
Au-delà de l’amélioration des performances en imagerie et en caractérisation électromagnétique des cellules vivantes, ces développements offrent de nouvelles perspectives en métrologie et en détection quantique à radiofréquence. L’objectif est d’explorer des régimes de mesure encore inaccessibles, avec une précision et une stabilité accrues, essentielles pour les applications en biophysique et en ingénierie biomédicale. Les travaux engagés au sein de ce consortium pourraient ainsi permettre d’établir de nouvelles normes de mesure pour l’analyse électromagnétique des systèmes biologiques, renforçant le lien entre nanoélectronique, technologies quantiques et sciences du vivant.
(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) Photographie de la chambre d’échantillon. (f) 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.
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.
References
[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.
[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.
[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).
[4] Kamel Haddadi, Member, Clément Lenoir, Mohamed Sebbache, Chia-Hung Lee, Peter Burke. « Microwave Imaging with Open-Ended Coaxial Probes. » IEEE 2024 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS), Delft, Netherlands, (2024).
Contact us: