Visualisation du micro

Jul 13, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13375 (2022) Citer cet article

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Les techniques de microscopie optique sont un choix populaire pour visualiser les micro-agents. Ils génèrent des images avec une résolution spatio-temporelle relativement élevée mais ne révèlent pas d’informations codées permettant de distinguer les micro-agents et leur environnement. Cette étude présente la microscopie à fluorescence multicolore pour restituer l'identification par code couleur des micro-agents mobiles et de l'environnement dynamique par démélange spectral. Nous rapportons les performances de la microscopie multicolore en visualisant l’attachement de micro-agents uniques et en grappes à des sphéroïdes cancéreux formés avec des cellules HeLa comme preuve de concept pour la démonstration ciblée de l’administration de médicaments. Une puce microfluidique est développée pour immobiliser un seul sphéroïde pour la fixation, fournir un environnement stable pour la microscopie multicolore et créer un modèle de tumeur 3D. Afin de confirmer que la microscopie multicolore est capable de visualiser des micro-agents dans des environnements vascularisés, des réseaux vasculaires in vitro formés de cellules endothéliales et de membrane chorioallantoïque de poulet ex ovo sont utilisés comme modèles expérimentaux. La visualisation complète de nos modèles est obtenue par excitation séquentielle des fluorophores de manière circulaire et par acquisition d'images individuelles synchrones à partir de trois bandes spectrales différentes. Nous démontrons expérimentalement que la microscopie multicolore décompose spectralement les micro-agents, les corps organiques (sphéroïdes et systèmes vasculaires cancéreux) et les milieux environnants en utilisant des fluorophores avec des caractéristiques spectrales bien séparées et permet l'acquisition d'images avec 1280 \(\times\) 1024 pixels jusqu'à 15 images. par seconde. Nos résultats montrent que la microscopie multicolore en temps réel permet une meilleure compréhension grâce à une visualisation codée par couleur concernant le suivi des micro-agents, la morphologie des corps organiques et une distinction claire des milieux environnants.

Le domaine de la microrobotique a ouvert de nouvelles voies pour diverses applications en médecine grâce aux progrès des technologies de micro/nano-fabrication1,2,3. L’une des applications les plus importantes est l’administration ciblée de médicaments, qui constitue une technique innovante permettant d’augmenter le taux de réussite du traitement, d’atténuer les effets secondaires des médicaments et de réduire le temps de récupération des patients4,5. Les micro-agents, effecteurs finaux des systèmes microrobotiques, sont utilisés comme vecteurs pour l'administration de médicaments à base de nanoparticules et dirigés vers le tissu d'intérêt par des stimuli externes (par exemple, champs magnétiques et ondes acoustiques)6. Des techniques d'imagerie sont utilisées pour que les micro-agents atteignent le tissu cible, car l'intégration des capteurs reste un défi en raison des limitations de taille7,8. Les images acquises peuvent être considérées uniquement comme une source de rétroaction pour l’identification de la cible, la manipulation des micro-agents et la libération des médicaments à l’endroit souhaité. Une visualisation claire joue donc un rôle crucial dans le processus de livraison.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (TDM), la fluoroscopie, l'échographie et l'imagerie photoacoustique sont utilisées pour visualiser les micro-agents dans des conditions in vitro et in vivo. L'IRM est utilisée pour l'actionnement et la visualisation simultanés de micro-agents avec un rapport contraste/bruit élevé9,10,11. De plus, les images IRM contiennent des détails anatomiques avec un rapport contraste/bruit élevé pour un pilotage précis des micro-agents. Cependant, le faible taux d’acquisition d’images de l’IRM la rend peu adaptée aux applications de micro-agents nécessitant une visualisation en temps réel12. Semblable à l’IRM, la tomodensitométrie fournit des images haute résolution de micro-agents, mais elle dispose d’un espace de travail limité pour l’intégration de systèmes d’actionnement et de détection13. La fluoroscopie est une méthode d'imagerie alternative à la tomodensitométrie permettant d'obtenir un espace de travail plus grand et d'obtenir un taux d'acquisition d'images plus élevé14,15. La tomodensitométrie et la fluoroscopie ont toutes deux des effets nocifs sur les cliniciens et les patients en raison de l'exposition aux rayonnements ionisants16. Parmi les modalités d’imagerie, les techniques basées sur les ultrasons n’ont aucun effet secondaire connu sur la santé et sont utilisées pour la visualisation en temps réel des micro-agents17,18,19,20,21. L'imagerie échographique offre un grand espace de travail pour le placement des systèmes d'actionnement puisque les images sont acquises à l'aide d'une petite sonde portative22,23,24. Cependant, les images échographiques sont intrinsèquement bruyantes et contiennent des artefacts qui entravent la détection des micro-agents. L'imagerie photoacoustique surmonte les limites de l'imagerie ultrasonore grâce à l'amélioration du contraste des micro-agents. L'absorption de la lumière chauffe les micro-agents contenant des matériaux métalliques, et des ondes acoustiques ultérieures sont générées par dilatation thermique25. Les ondes acoustiques générées permettent aux micro-agents d'atteindre un rapport signal/bruit plus élevé que l'imagerie ultrasonore et sont résolus de l'environnement26,27,28.