Un microscope confocal ultra-rapide et à haute sensibilité pour visualiser les neurones vivants en temps réel
Mise à jour de la page : le 08/07/2022
Porteur du projet : Fiona FRANCIS et Richard BELVINDRAH – Institut du Fer à Moulin (Paris)
Titre du projet : Imagerie confocale de haute sensibilité en temps réel pour élucider les mécanismes subcellulaires perturbés dans les pathologies cérébrales
Equipement financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête 2020 et sélectionné par le Conseil Scientifique de la FRC : un microscope confocal pour un montant de 200 000 €
Description de l’équipement :
Les images obtenues grâce à la microscopie confocale permettent de visualiser les cellules du cerveau en trois dimensions et d’effectuer des observations aussi bien qualitatives (présence d’une morphologie anormale, absence d’une protéine essentielle au développement neuronal) que quantitatives. Bien que traitant de pathologies et de types cellulaires et moléculaires variés, l’ensemble des projets de l’Institut du Fer à Moulin (IFM) présente une exigence commune : l’acquisition à grande vitesse de signaux fluorescents de faible intensité par l’imagerie confocale en temps réel de neurones vivants. Ceci constitue un défi majeur actuel pour l’étude des processus biologiques à l’échelle subcellulaire en temps réel et sans génération de phototoxicité dans des cellules et tissus vivants. Actuellement à l’Institut, seules des acquisitions sur matériel fixé ou sur des tissus ou cellules vivantes mais avec des systèmes ne présentant pas de manière simultanée une sensibilité élevée et une vitesse d’acquisition rapide sont possibles. Ceci limitant grandement les applications, la plateforme d’imagerie de l’IFM nécessite un équipement plus récent et mieux adapté pour imager les cellules du cerveau.
Ainsi, l’acquisition d’un microscope confocal à scanner résonnant muni de détecteurs hybrides leur permettra de mener des explorations impossibles à réaliser avec l’équipement actuel pour caractériser les mécanismes participant à la formation et au fonctionnement du cerveau en conditions normales et pathologiques. Ce système comporte les dernières technologies en matière de sensibilité pour acquérir de faibles variations du signal fluorescent (à l’aide des détecteurs hybrides) et une vitesse très rapide (grâce au scanner résonnant). Cette imagerie ultra-rapide et hautement sensible sur cellule vivante permettra de collecter des informations avec un niveau de résolution sans précédent sur l’impact dynamique des régulations des voies de signalisation. L’acquisition de telles données permettra une compréhension plus fine des mécanismes subcellulaires perturbés conduisant aux pathologies neuronales. Les chercheurs espèrent notamment faire des avancées majeures dans la compréhension des mécanismes pathogéniques liés à l’épilepsie, aux déficits intellectuels, aux pathologies du motoneurone, aux maladies neuropsychiatriques et à la maladie de Parkinson.
Ce microscope confocal à haute sensibilité sera installé sur la plateforme d’imagerie de l’IFM et la présence sur le site d’un personnel technique hautement qualifié permettra une utilisation et une maintenance appropriées du matériel. Il sera notamment utile à 6 équipes de l’IFM pour aborder des questions scientifiques de premier plan et d’un intérêt biomédical majeur :
- L’équipe de Fiona Francis et Laurence Goutebroze étudiera le rôle dynamique de protéines associées aux microtubules dont les mutations perturbent le développement cortical, provoquant des épilepsies et un handicap intellectuel.
- L’équipe de Stéphane Nedelec s’intéressera à comprendre les voies de signalisation sous-tendant la formation et la survie des motoneurones, et comment les perturbations de ces voies conduisent à des troubles du développement neurologique.
- L’équipe de Luc Maroteaux essaiera de comprendre comment la sérotonine contrôle la microglie, requise pour le développement et le fonctionnement cérébral normal et dont la perturbation est un facteur de risque de maladies psychiatriques.
- L’équipe de Jean-Christophe Poncer et Sabine Levi définira comment la formation des synapses GABAergiques peut être modulée par la caféine et comment l’exposition pré et post-natale à cette molécule peut entraîner des maladies neurodéveloppementales.
- L’équipe de Christine Métin déchiffrera le rôle des signaux transmis dans le cil primaire (petite extension d’une cellule, qui capte les signaux extérieurs) pour contrôler le positionnement cortical des interneurones durant le développement du cerveau.
- L’équipe de Jean-Antoine Girault et Denis Hervé caractérisera la dynamique des voies de signalisation activées par les neurotransmetteurs dans les neurones striataux, et leurs altérations dans les troubles du mouvement (maladie de Parkinson, dystonie) et la dépendance.
Cet équipement sera également accessible à des équipes extérieures à l’IFM, comme le reste de la plateforme d’imagerie.
Photographie du microscope confocal
Les principales utilisations de l’équipement :
Ce nouveau microscope a été installé en décembre 2020 et les premières formations d’utilisation ont débuté dès janvier 2021. 4 équipes de l’institut utilisent actuellement cet équipement, ainsi qu’une équipe extérieure au centre de recherche. Son taux d’utilisation est en progression constante et plusieurs équipes s’intéresse à être formées pour leurs projets qui vont démarrer dans l’année.
Actuellement, le groupe de Stéphane Nedelec utilise ce microscope afin d’observer des organoïdes (ou mini-organes, ie. une structure multicellulaire 3D reproduisant in vitro l’organisation, la structure et la fonctionnalité d’un organe), qu’ils créent à partir de la différenciation de cellules souches pluripotentes humaines. Ces organoïdes sont destinés à mieux comprendre les voies de signalisation qui déterminent la différentiation des motoneurones humains et comment celles-ci sont perturbées par différentes pathologies.
Grâce à cet équipement de haute performance, l’équipe de Christine Métin réalise avec succès de la vidéomicroscopie sur des périodes de 24 à 48 heures afin d’évaluer la migration de neurones particuliers cultivés in vitro et dérégulés dans plusieurs maladies neurologiques et psychiatriques.
L’équipe de Julien Ferent s’intéresse à mieux caractériser la distribution d’un morphogène (protéine sécrétée jouant un rôle dans différents processus du développement du cerveau embryonnaire) dans le cortex cérébral de souris de type sauvage (non mutée). Une fonctionnalité particulière du microscope leur a permis de montrer que les protéines morphogènes sécrétées se trouvent colocalisées et à proximité de neurones en migration.
Enfin, le groupe de Jean-Antoine Girault profite de ce nouveau système pour observer l’immunofluorescence de plusieurs protéines d’intérêt et leur interaction sur une même population de neurones d’hippocampes de souris.
Les premiers résultats obtenus avec ce microscope sont en cours de publication.
Fiona Francis est directrice de recherche 1ère classe au CNRS. Elle dirige l’équipe « Développement cortical et pathologie » de l’Institut du Fer à Moulin et est également directrice adjointe de cet institut de recherche. Biologiste moléculaire et cellulaire, elle s’intéresse au développement du cortex et des anomalies associées telles que les malformations corticales liées aux déficits intellectuels et à l’épilepsie.
Richard Belvindrah est Maître de Conférences à Sorbonne Université. Il effectue ses recherches au sein de la même équipe de l’IFM, en particulier sur la régulation des progéniteurs du système nerveux central.
Témoignage des porteurs de projet
« Cette opération annuelle est devenue un incontournable, une aide indispensable aux équipes de recherche. L’explosion durant cette dernière décennie des techniques d’imagerie de pointe pousse les laboratoires à s’équiper avec un matériel toujours plus performant en termes de résolution, de sensibilité et de vitesse d’acquisition. Ces prouesses technologiques s’accompagnent inévitablement d’un coût très élevé. Le manque criant de finances pour la recherche en France est un frein essentiel au développement technologique. Nous sommes donc extrêmement reconnaissant au Rotary – Espoir en Tête et à la FRC de nous aider à combler ce déficit ».
