La bio-imagerie de fluorescence est une technique souvent utilisée pour observer les phénomènes biologiques. Des protéines fluorescentes et des boîtes quantiques sont couramment utilisées comme fluorophores, tandis que la lumière visible sert de source d’excitation. Cependant, contrairement à la lumière proche infrarouge (NIR) et à ses longueurs d’onde plus longues, la grande quantité d’énergie de la lumière à longueurs d’onde courtes, comme la lumière visible, a des répercussions indésirables :
- Un photoblanchiment plus marqué
- Une plus grande phototoxicité pour les échantillons biologiques
- Une profondeur de pénétration limitée due à une plus grande diffusion de la lumière
L’imagerie par conversion ascendante de photons est une technique d’observation qui permet d’observer des signaux de fluorescence visibles émis en réponse à une excitation par une lumière proche infrarouge (NIR). Au cours des dernières années, cette technique a retenu l’attention, car elle apporte une solution aux problèmes rencontrés en imagerie de fluorescence susmentionnés.
Qu’est-ce que la conversion ascendante de photons ?
La conversion ascendante de photons est le phénomène d’excitation par des longueurs d’onde longues, comme la lumière proche infrarouge, et l’émission consécutive de lumière à longueurs d’onde plus courtes (lumière visible ou UV) que la lumière d’excitation.
L’imagerie réalisée avec des nanoparticules à conversion ascendante (UCNP) utilise un laser à diode à émission continue pour l’excitation en plusieurs étapes par irradiation de lumière proche infrarouge en vue de provoquer l’émission d’une lumière visible à énergie élevée et à longueur d’onde courte.
Figure 1 – Schéma conceptuel de la conversion ascendante de photons
Quels sont les avantages de l’imagerie par conversion ascendante de photons ?
L’imagerie de fluorescence avec des UCNP utilise un laser à longueurs d’onde dans le NIR (808 nm, 980 nm, etc.) pour l’excitation, ce qui permet de prendre des images plus profondément dans les tissus et les organismes tout en réduisant la diffusion de la lumière. Étant donné que la lumière à longue longueur d’onde a une énergie inférieure à celle de la lumière visible, les organismes observés à l’aide de cette méthode sont moins dégradés. Les UCNP sont également très stables et ne « photo-blanchissent » pas facilement, ce qui les rend parfaitement adaptées pour l’imagerie des cellules et des organismes vivants.
De plus, l’excitation pour une conversion ascendante de photons peut être réalisée avec un laser diode à émission continue plutôt qu’avec un laser pulsé à forte puissance. Cela permet aux chercheurs de réaliser des expériences dans la fenêtre optique biologique* optimale de la lumière proche infrarouge avec un simple microscope confocal plutôt que d’avoir à utiliser un microscope multiphotonique onéreux et plus complexe.
Figure 2 – Exemple du microscope confocal FLUOVIEW™ doté d’une unité de laser pour la conversion ascendante de photons
Exemples d’applications dans lesquelles la conversion ascendante de photons peut être utilisée :
- Libération de composés encagés
- Activation de canaux ioniques
- Stimulation nerveuse
- Transfert d’énergie de luminescence par résonance (LRET)
Figure 3 – Larve de poisson zèbre, cinq jours après la fécondation.
Des cellules des gliomes U87 ont été incubées pendant 12 heures avec 5 ug/ml d’acide colominique revêtu d’UCNP, puis elles ont été injectées dans les larves de poisson-zèbre 5 jours après la fécondation. La distribution des nanoparticules fluorescentes a ensuite été observée dans les poissons-zèbres.
Canal vert : GFP exprimée par les cellules endothéliales d’un poisson-zèbre transgénique
Canal rouge (UCNP) : Nanoparticules NaYbF4:Tm@NaYF4 noyau/enveloppe de 70 nm revêtues de DSPE-PEG, sans autre marquage
Image reproduite avec l’aimable autorisation du DrYiqing Lu, School of Engineering, université Macquarie.
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* Fenêtre optique biologique : plage de longueurs d’onde proche infrarouge (650 à 1000 nm) sur laquelle la lumière pénètre facilement dans les organismes vivants.
Références bibliographiques
▸Na Ren, Na Liang, Xin Yu, Aizhu Wang, Juan Xie, Chunhui Sun. Ligand-free upconversion nanoparticles for cell labeling and their effects on stem cell differentiation. Nanotechnology. 2020 Apr 3;31(14):145101.
▸Yanxiao Ao, Kanghua Zeng, Bin Yu, Yu Miao, Wesley Hung, Zhongzheng Yu, Yanhong Xue, Timothy Thatt Yang Tan, Tao Xu, Mei Zhen, Xiangliang Yang*, Yan Zhang, and Shangbang Gao. An Upconversion Nanoparticle Enables Near Infrared-Optogenetic Manipulation of the Caenorhabditis elegans Motor Circuit. ACS Nano 2019, 13, 3, 3373–3386.
▸Yong-Xiang Wu, Xiao-Bing Zhang, Dai-Liang Zhang, Cui-Cui Zhang, Jun-Bin Li, Yuan Wu, Zhi-Ling Song, Ru-Qin Yu, Weihong Tan. Quench-Shield Ratiometric Upconversion Luminescence Nanoplatform for Biosensing. Analytical Chemistry 2016, 88, 3, 1639–1646.
