An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

Imaginez essayer de comprendre une ville en regardant une seule brique, ou en étudiant une carte qui ne montre que les rues mais pas les bâtiments. Pendant des décennies, les biologistes ont été confrontés à un problème similaire lorsqu'ils tentaient de voir à l'intérieur des êtres vivants. Pour étudier le câblage complexe d'un cerveau ou les vaisseaux sanguins d'un organe entier, ils devaient généralement découper le tissu en tranches fines et plates, comme une miche de pain, et examiner chaque tranche sous un microscope. Cette méthode détruit les connexions tridimensionnelles qui maintiennent l'organe ensemble. Une nouvelle approche, appelée clarification tissulaire, résout ce problème en rendant les organes entiers transparents, comme du verre, afin que la lumière puisse les traverser. Cependant, pour voir les détails à l'intérieur de ces organes entiers et clairs, les scientifiques ont besoin d'un type spécial de microscope qui utilise une fine feuille de lumière pour scanner l'objet couche par couche. Ces machines sont puissantes, mais elles ont traditionnellement été coûteuses, complexes à construire et limitées à l'exécution d'une seule tâche spécifique de manière performante.

Une équipe de chercheurs a maintenant introduit une nouvelle façon de construire ces microscopes qui change le paysage de l'imagerie biologique. Au lieu de forcer les laboratoires à choisir entre différentes machines coûteuses pour différentes tâches, ils ont créé un écosystème d'outils flexibles qui peuvent être assemblés à partir de pièces communes disponibles dans le commerce. Ce système, qu'ils appellent descSPIM-Advanced, permet à un seul laboratoire de construire un microscope adapté à ses besoins spécifiques, qu'il s'agisse de voir de minuscules détails, de capturer de gros organes d'un seul coup ou de détecter de nombreuses couleurs à la fois. Les chercheurs ont démontré qu'en remplaant quelques composants clés, le même design de base peut être transformé en quatre versions distinctes, chacune optimisée pour un défi différent dans l'observation du monde invisible à l'intérieur de nos corps.

L'idée centrale de ce travail est que l'imagerie de haute technologie n'a pas besoin d'être verrouillée derrière les portes de installations commerciales coûteuses. Les chercheurs sont partis d'un design de microscope de base, abordable, qu'ils avaient précédemment développé, et ont montré comment il pouvait être amélioré sans repartir de zéro. Ils ont construit quatre versions spécifiques pour prouver le concept. La première, nommée Galaxy, est conçue pour voir de nombreuses couleurs différentes en même temps. Dans un microscope standard, si vous essayez d'observer trop de marqueurs fluorescents à la fois, leurs couleurs se mélangent. La version Galaxy utilise une caméra spéciale capable de séparer ces couleurs qui se chevauchent, permettant aux scientifiques de suivre jusqu'à sept structures biologiques différentes dans un seul embryon de souris sans avoir à colorer et scanner l'échantillon plusieurs fois. Cette capacité ouvre la voie à la cartographie des interactions complexes entre différents types de cellules dans un volume unique et intact.

La deuxième version, appelée Deepsky, se concentre sur la netteté. Bien que le microscope de base soit bon pour voir les grandes structures, il ne peut pas résoudre les détails minuscules de cellules individuelles. La configuration Deepsky remplace les composants par des lentilles de plus haute qualité et un miroir de balayage pour affiner l'image. Les chercheurs ont utilisé cette configuration pour créer des cartes tridimensionnelles haute définition de tissus rénaux et pulmonaires. Les images étaient si claires qu'ils pouvaient compter les cellules individuelles et même générer des images en fausses couleurs qui ressemblent aux lames de tissus traditionnellement colorées, mais sans le besoin de découpe physique. Cela prouve qu'un laboratoire peut atteindre une résolution subcellulaire, voyant l'architecture fine des organes, sans avoir besoin d'un instrument commercial à plusieurs millions de dollars.

Pour les scientifiques qui ont besoin de voir les structures les plus vastes, il y a Fullmoon. Certains organes, comme un cerveau de souris entier, sont simplement trop grands pour être capturés par des microscopes standards en une seule vue, forçant les chercheurs à prendre des centaines de petites images et à les assembler, un processus qui peut introdure des erreurs. La version Fullmoon utilise une caméra à grand format et un faisceau lumineux large pour capturer un champ de vision massif. L'équipe a démontré cela en imagerie un cerveau de souris entier qui avait été expansé à dix fois sa taille originale. Ils ont capturé l'organe expansé entier en une seule prise, évitant ainsi le besoin de stitching (assemblage d'images) complexe et préservant l'intégrité des données. Cela permet une vue complète et ininterrompue d'un système organique entier.

Enfin, l'équipe a abordé la barrière du coût et de la complexité avec une version appelée SLIM. Ils ont dépouillé le système pour le ramener à sa forme la plus simple, utilisant des diodes laser compactes et un nombre minimal de pièces. Cette configuration peut être assemblée en quelques heures pour environ quinze mille dollars, une fraction du coût des autres systèmes. Malgré sa simplicité, elle produit toujours des images tridimensionnelles de haute qualité d'embryons entiers. Cette version sert de point d'entrée accessible, permettant à davantage de laboratoires de commencer l'imagerie de tissus clarifiés et de mettre à niveau leurs systèmes au fur et à mesure que leurs besoins évoluent.

Toutes ces différentes versions sont maintenues ensemble par une plateforme logicielle partagée appelée Mission Control Center. Ce logiciel agit comme une télécommande universelle, permettant au même programme informatique de piloter n'importe laquelle des quatre configurations de microscopes. Cela signifie qu'un laboratoire peut commencer avec la version simple SLIM et, à mesure que ses questions de recherche deviennent plus complexes, reconfigurer son matériel pour devenir un système Galaxy, Deepsky ou Fullmoon sans avoir besoin d'apprendre un logiciel entièrement nouveau ou d'acheter une toute nouvelle machine. Les chercheurs ont rendu les plans, les listes de pièces et le logiciel publics, invitant d'autres scientifiques à construire et à améliorer leurs conceptions.

Les résultats de ce travail montrent que l'imagerie tridimensionnelle avancée n'est plus le domaine exclusif des installations centrales richement dotées. En prouvant qu'un écosystème modulaire composé de pièces standard peut offrir des performances élevées pour une large gamme d'applications, les chercheurs ont démocratisé l'accès à ces outils puissants. Ils ont montré qu'avec le bon design, un laboratoire peut construire un microscope qui n'est pas seulement un outil à usage unique, mais une plateforme polyvalente capable de croître avec la science. Ce changement signifie que davantage de chercheurs peuvent désormais explorer la complexité tridimensionnelle de la vie, de la plus petite cellule à l'organe entier, en utilisant des instruments qu'ils peuvent construire et contrôler eux-mêmes.