Technique de fluorescence étudiant l’accumulation d’acide lactique dans le cerveau

L’acide lactique (lactique) est produit dans le corps en tant que sous-produit, au cours du métabolisme normal et de l’exercice. Longtemps considéré comme un déchet inutile, des recherches récentes montrent que le lactate peut être un indicateur de cancer et de diverses autres maladies. Dans cet esprit, la surveillance des niveaux de lactate peut nous aider à mieux comprendre les processus du métabolisme énergétique. Cependant, les méthodes de détection actuelles ne fournissent que des enregistrements hors cellule des niveaux de lactate en vrac et une résolution temporelle insuffisante pour détecter les changements en temps réel de ces niveaux. Il est donc très difficile de déterminer les niveaux de lactate dans le cerveau où sa concentration est inférieure à celle des autres métabolites.

Pour augmenter la sensibilité de détection du lactate, un capteur de lactate à haute résolution temporelle dit « Laconic » a été récemment développé. Le capteur contient deux composés chimiques fluorescents (ou « fluorophores »), appelés un « donneur » et un « accepteur », et est basé sur un mécanisme appelé « transfert d’énergie par résonance de fluorescence » (FRET). Ces composés émettent de la lumière de différentes longueurs d’onde et sont séparés par des molécules capables d’interagir avec le lactate. Lorsque le capteur est éclairé par de la lumière, le donneur absorbe l’énergie et la transfère à la molécule acceptrice. L’intensité de la lumière émise dépend du transfert d’énergie et de la distance entre les deux fluorophores. Lorsque le lactate interagit avec les molécules qui séparent les fluorophores, il modifie la distance entre eux et, à son tour, l’intensité de la lumière émise. Ainsi, ce capteur peut détecter la présence de lactate en observant l’intensité du signal lumineux émis. Associé à une IRM fonctionnelle, cela peut aider à cartographier les niveaux de lactate spécifiques aux cellules et à les corréler avec le flux sanguin dans le cerveau. Cependant, des changements dans le flux sanguin peuvent introduire des artefacts dans le signal mesuré. Afin de détecter des niveaux de lactate infimes, il est nécessaire d’identifier et de corriger ces artefacts.

Sur ce front, des chercheurs de l’hôpital universitaire de Münster, en Allemagne, et de l’université Paris-Saclay, en France, ont récemment étudié comment ces capteurs réagissent aux conditions du cerveau, en particulier aux modifications du flux sanguin et des niveaux d’oxygène dans le sang. Résultats de recherche publiés dans la revue Neurophotonique.

Avec Laconic, les chercheurs ont utilisé un capteur de calcium à base de FRET pour examiner les artefacts. Les capteurs laconiques sont génétiquement codés dans un modèle de souris pour être exprimés dans le cortex sensoriel, la partie du cerveau qui reçoit les informations sensorielles. Pour obtenir le signal de fluorescence, une fibre optique est implantée juste au-dessus du capteur pour guider la lumière dans et hors de la région du cerveau observée. Les concentrations cérébrales de lactate et de calcium ont ensuite été mesurées après stimulation du cortex sensoriel et injection intraveineuse (IV) de lactate.

Les capteurs de calcium et de lactate réagissent aux changements de l’activité cérébrale. Le capteur de lactate exprimé dans les neurones (cellules cérébrales) est capable de détecter l’augmentation de la concentration en lactate introduite par l’injection IV. Cependant, la bande est affectée par l’hémoglobine dans le sang, qui absorbe également la lumière avec les fluorophores. Étant donné que la modification du débit sanguin modifie la concentration d’hémoglobine, elle entraîne également une modification de l’intensité du signal de fluorescence. Les chercheurs ont corrigé ces artefacts en utilisant un algorithme de correction qui les a éliminés pour des mesures simultanées et séparées des signaux de fluorescence et d’IRM. De plus, ils ont validé leurs mesures par rapport aux enregistrements de potentiel de champ local et aux analyses de sang.

Ces résultats suggèrent fortement que la détection basée sur la fluorescence peut être un outil utile pour mesurer les changements dans les niveaux de lactate spécifiques aux cellules dans les organismes vivants, à condition que le signal soit corrigé des artefacts. Cela pourrait ouvrir de nouvelles dimensions dans la détection du cancer et d’autres pathologies telles que les maladies inflammatoires et auto-immunes.

Référence: Lambers H, Wachsmuth L, Thomas D, et al. Enregistrement de lactate à base de fibres avec capteur de transfert d’énergie de résonance de fluorescence en appliquant une correction d’artefact hémodynamique basée sur des informations de résonance magnétique. NPh. 2022;9(3):032212. deux:10.1117/1.NPh.9.3.032212

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Lancelot Bonnay

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