La lame qui va chambouler la microscopie à fluorescence

Pour les scientifiques, les lames de verre transparentes sur lesquelles on dépose les échantillons pour les observer au microscope font pratiquement partie du patrimoine. Et pour cause, cet élément de microscopie n’a quasiment pas évolué depuis près de 200 ans.

A l’EPFL, des chercheurs de l’Institut de Microtechnique à Neuchâtel ont trouvé une alternative. Ils ont développé un nouveau type de lame dont le revêtement « structure » la lumière et permet ainsi d’augmenter jusqu’à 25 fois la sensibilité du microscope.

Cette technologie est conçue pour la microscopie à fluorescence, largement utilisée, par exemple, pour le diagnostic de cancers, de maladies auto-immunes, d’allergie ou encore le séquençage ADN. Grâce à ses capacités optiques, la lame permet de détecter de très faibles quantités de lumière. Un atout pour poser des diagnostics précoces, identifier des sous-types de cancer plus rapidement, ou effectuer de l’archivage d’échantillons de pathologie, à grande vitesse. «Dans une situation idéale, nous pourrions repérer la présence d’une seule molécule sur une de nos lames, là où il en faudrait 25 sur une lame standard», illustre le chercheur Nicolas Descharmes.

La technologie a été brevetée, et les lames ont déjà été utilisées avec succès par des scientifiques de différents domaines. Elles sont également sur le point d’être testées par plusieurs entreprises. Les chercheurs ont reçu le soutien de l’EPFL, de la fondation Gebert Rüf et d’Innosuisse. Ils prévoient de créer une start-up dans les prochains mois. Cette étape permettra d’entamer une phase de développement au niveau industriel et de mettre la technologie à disposition des laboratoires hospitaliers et des fournisseurs de diagnostics.

Récupérer 100% de la lumière et plus
La microscopie à fluorescence repose sur la propriété physique qu’ont certaines molécules – appelées fluorophores – à émettre de la lumière à une certaine longueur d’onde (dite longueur d’onde d’émission) en réponse à l’absorption d’une lumière ayant une longueur d’onde plus courte (dite longueur d’onde d’excitation). La fluorescence permet la visualisation d’éléments (naturellement fluorescents ou préalablement marqués avec un fluorophore) qui seraient autrement impossible à détecter en microscopie standard.

La microscopie à fluorescence sur lame de verre a, toutefois, deux défauts principaux. D’une part, la quantité de lumière émise par les fluorophores est souvent faible. D’autre part, une grande partie de la lumière émise par l’échantillon est perdue dans la lame, et n’est donc pas exploitable. Ainsi, il est parfois difficile – voire impossible – de détecter certaines molécules, à moins qu’elles ne soient présentes en quantité importante.

Un mille-feuille optique
Dotée d’une structure en mille-feuille, cette nouvelle lame a la capacité de contrôler l’environnement électromagnétique de l’échantillon. Cela permet, notamment, d’augmenter la quantité de lumière émise par les fluorophores et de rediriger la totalité de la lumière vers le détecteur. Les images obtenues sont donc plus claires qu’auparavant ou peuvent être acquises de façon beaucoup plus rapide, selon les besoins.

«Ce que j’ai vu est extrêmement prometteur », indique Séverine Lorrain, collaboratrice au Protein Analysis Facility de l’UNIL, qui travaille à la détection de protéines dans des échantillons. «J’ai clairement été impressionnée par l’efficacité de cette surface, qui amplifie le signal de fluorescence. Cela pourrait me permettre d’éviter, dans mes protocoles, l’étape d’amplification du signal, souvent, génératrice d’une augmentation du bruit de fond.»

Jessica Sordet-Dessimoz, responsable de la Plateforme technologique d'histologie de l'EPFL, partage cette opinion: «La surface de ces lames améliore la visualisation du signal fluorescent et diminue le temps d’exposition nécessaire. Elle pourrait s’avérer très utile pour des applications comme l’immunofluorescence cyclique.»

Diagnostic précoce

Plusieurs applications clé sont ciblées par les deux chercheurs, comme l’identification précoce de certains types de cancers ou la simplification de la lecture et de l’archivage de lames histopathologiques – typiquement utilisées lors de l’analyse de biopsie. « Scanner des lames traditionnelles en fluorescence prend pour l’instant énormément de temps, car les signaux sont faibles. Nos lames pourraient clairement être utiles dans ce domaine», assure Raphaël Barbey. Ce dernier travaille actuellement à l’industrialisation de la production de ces lames avec un autre fleuron neuchâtelois de la technologie – le CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique).

« Le défi consiste maintenant à faire accepter aux utilisateurs de troquer une partie de leurs lames habituelles contre nos nouvelles lames», ajoute le chercheur. Dans le domaine de la microscopie à fluorescence, les lames n’ont pour ainsi dire jamais évolué. « Presque tous les éléments d’un microscope ont été optimisés, de manière régulière, lors des dernières décennies. Les sources lumineuses sont devenues toujours plus puissantes, les caméras toujours plus sensibles et les objectifs de meilleure qualité. Etonnamment, la lame est un peu l’élément oublié. Ce que nous proposons présente donc une claire rupture par rapport à cette constante évolution. Le grand intérêt de notre approche vient du fait qu’elle implique un changement relativement mineur pour l’utilisateur mais qu’elle a un impact majeur sur les performances ».

Nicolas Descharmes est actuellement employé par le laboratoire de photovoltaïque et couches minces électroniques (PV-Lab) à l’EPFL (Neuchâtel) alors que Raphael Barbey travaille au CSEM (Neuchâtel).