Microscopies avancées et physiologie des tissus

Axe principal: NBS
Axes secondaires :
Equipe : Microscopies avancées et physiologie des tissus
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Site web : www.lob.polytechnique.fr
Laboratoire
Laboratoire d’optique et biosciences, Ecole Polytechnique ParisTech - CNRS UMR 7645 Inserm U696, 91128 Palaiseau Cedex
Directeur : Jean-Louis Martin
+
Site web : www.lob.polytechnique.fr
Responsable d’équipe :
Emmanuel Beaurepaire, CR1
[email protected]
Membres permanents :
Delphine Débarre, CR2 (50%)
[email protected]
Guilhem Gallot, CR1
[email protected]
Manuel Joffre, DR2 (50%)
[email protected]
Marie-Claire Schanne-Klein, DR2
[email protected]
Willy Supatto, CR2
[email protected]
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Activités scientifiques de l’équipe :
Les avancées récentes en imagerie optique non-linéaire et terahertz ouvrent de nouvelles
possibilités d’exploration des tissus intacts à l’échelle subcellulaire. Notre équipe développe
de nouvelles approches expérimentales reposant sur une solide expertise en optique non
linéaire et en microscopie des tissus. L’objectif est de pouvoir aborder in situ les liens entre
la physiologie cellulaire et la réponse tissulaire dans des contextes tels que la
morphogénèse embryonnaire, la cancérogénèse, ou le remodelage de la matrice
extracellulaire.
Méthodes :
*Microscopie non-linéaire : fluorescence (2PEF), génération de 2nd harmonique (SHG),
génération de 3e harmonique (THG), diffusion cohérente Raman (CARS).
*Imagerie et spectroscopie teraHertz.
*Microscopie des tissus et de structures organisées biomimétiques.
*Optique adaptative.
*Façonnage d’impulsions ultrabrèves.
•
Quelques résultats récents dans les domaines d’action des nanobiosciences :
Reconstruction du développement précoce du poisson zébré par microcopie NL
(Gauche) Imagerie 3D d’un embryon de
poisson-zébré. Bleu: signal THG révélant la
morphologie et les contours cellulaires. Vert:
signal SHG révélant les fuseaux mitotiques.
(Droite) embryon digital reconstitué au stade
512 cellules. (Adapté de: Olivier et al, Science
329, 967 (2010)).
Nous avons développé une nouvelle
approche
de
microscopie
THG-SHG
permettant d’observer sans marquage
l’ensemble des divisions cellulaires (fuseaux
mitotiques et contours cellulaires) pendant
les 3 premières heures du développement
du poisson zébré avec une résolution
temporelle de 80 s. En collaboration avec
les équipes de N Peyriéras (INAF Gif), P
Bourgine (X-CREA) et A Santos (UP
Madrid), nous avons pu produire le 1er
lignage complet de cette phase du
développement.
Réponse optique non-linéaire de la triple hélice de collagène
20
No retardation => 33.7
Normalized β eff
u=0 => 15.8
15
u=0.5 =>12.7
290 nm
10
Collagen I
5
[(Pro-Pro-Gly)10]3
δβ δβ δβ δβ…
δE +δE + δE + δE +…
Type I - Rat
0
0
100
200
300
400
Length of the triple helix (nm)
Calcul de la réponse optique non-linéaire du
collagène en fonction de la longueur du domaine en
triple hélice et du rapport u des 2 principales
composantes tensorielles. Le formalisme développé
peut se généraliser à d’autres biopolymères ou
structures unidimensionnelles telles que des nanofils.
(tiré de Deniset-Besseau et al, J. Phys. Chem. B 113,
13437 (2009)).
Nous avons mesuré la réponse non
linéaire d’une triple hélice de
collagène par diffusion hyper
Rayleigh en collaboration avec
l’équipe de P.-F. Brevet (Lasim,
Univ. Lyon I). La forte réponse
mesurée (1.25 10-27 esu pour le
collagène I de queue de rat)
provient de la compacité et de la
rigidité de la structure en triple
hélice qui permet d’aligner une forte
densité d’harmonophores
d’efficacité modérée, les liaisons
peptidiques, et d’induire une
amplification cohérente efficace du
signal non-linéaire. Ce mécanisme
se retrouve à tous les niveaux
d’organisation du collagène : chaîne
α unique => triple hélice => fibrille
=> fibre (du nm au µm).
Imagerie SHG des phases cristal-liquide du collagène
Imagerie par génération de second
harmonique (SHG) d'une transition
de phase isotrope-cholestérique du
collagène (Deniset-Besseau et al,
Opt. Express 18, 1113 (2010)).
Nous avons caractérisé les phases cristal liquide du
collagène en solution acide concentrée en fonction
de divers paramètres physico-chimiques (nature de
l'acide, pH, force ionique…), en collaboration avec G.
Mosser (LCMCP, UPMC). L'imagerie SHG révèle la
texture avec un excellent contraste grâce à sa
dépendance quadratique sur la densité de molécules
alignées dans le plan focal, tandis que l'imagerie de
fluorescence permet de mesurer simultanément la
concentration moléculaire. Les organisations
cholestériques concentriques observées sont
similaires à celles observées sous forme stabilisée
(i.e. fibrillaire) dans les os compacts, constitués
principalement de collagène I calcifié. Notre
méthodologie s'avère ainsi idéale pour comprendre
comment se forment les assemblages
supramoléculaires de collagène dans les tissus et
guider l'ingénierie de substituts tissulaires.
Optique adaptative pour la microscopie non-linéaire
Nous avons mis au point une
approche de correction des
aberrations en microscopie nonlinéaire (2PEF, THG, SHG)
nécessitant
une
illumination
réduite, et compatible avec
l’observation de tissus vivants.
Nous avons rapporté la première
démonstration de correction des
Imagerie 2PEF-THG d’un grain de pollen avant aberrations en imagerie THG d’un
(gauche) et après (droite) correction des aberrations. tissu en évolution.
Barre : 50µm. (Adapté de Olivier et al, Opt Lett 34,
3145 (2009)).
•
Programme de recherche :
Voir site web http://www.lob.polytechnique.fr
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Références 2004-2011:
Annee 2010
F. Aptel, N. Olivier, A. Deniset-Besseau, J.-M. Legeais, K. Plamann, M. C. Schanne-Klein
et E. Beaurepaire, "Multimodal nonlinear imaging of the human cornea", Invest.
Ophtalmol. Vis. Sci. 51, 2459 (2010).
A. Deniset-Besseau, P. De Sa Peixoto, G. Mosser et M. C. Schanne-Klein, "Nonlinear
optical imaging of lyotropic cholesteric liquid crystals", Opt. Exp. 18, 1113 (2010).
I. Gusachenko, G. Latour et M. C. Schanne-Klein, "Polarization-resolved second
harmonic microscopy in anisotropic thick tissues", Opt. Express 18, 19339 (2010).
G. Labroille, R. S. Pillai, X. Solinas, C. Boudoux, N. Olivier, E. Beaurepaire et M. Joffre,
"Dispersion-based pulse shaping for multiplexed two-photon fluorescence microscopy",
Opt Lett 35, 3444 (2010).
N. Olivier, F. Aptel, K. Plamann, M. C. Schanne-Klein et E. Beaurepaire, "Harmonic
microscopy of isotropic and anisotropic microstructure of the human cornea", Opt.
Express 18, 5028 (2010).
N. Olivier, M. A. Luengo-Oroz, L. Duloquin, E. Faure, T. Savy, I. Veilleux, X. Solinas, D.
Débarre, P. Bourgine, A. Santos, N. PeyriÉras et E. Beaurepaire, "Cell lineage
reconstruction of early zebrafish embryos using label-free nonlinear microscopy", Science
329, 967 (2010).
A. M. Pena, D. Fagot, C. Olive, J.-F. Michelet, J.-B. Galey, F. Leroy, E. Beaurepaire, J.-L.
Martin, A. Colonna et M. C. Schanne-Klein, "Multiphoton microscopy of engineered
dermal substitutes: assessment of 3-D collagen matrix remodeling induced by fibroblast
contraction", J Biomed Opt 15, 056018 (2010).
A. Podzorov et G. Gallot, "Density of states and vibrational modes of PDMS studied by
terahertz time-domain spectroscopy", Chem. Phys. Lett. 495, 46 (2010).
A. Podzorov, A. Wojdyla et G. Gallot, "Beam waist measurement for terahertz timedomain spectroscopy experiments", Opt. Lett. 35, 901 (2010).
Annee 2009
S. M. Kapetanaki, G. Silkstone, I. Husu, U. Liebl, M. T. Wilson et M. H. Vos, "Interaction
of carbon monoxide with the apoptosis-inducing cytochrome c-cardiolipin complex",
Biochemistry 48, 1613 (2009).
J.-B. Masson, A. Podzorov et G. Gallot, "Extended Fano model of Extraordinary
Electromagnetic Transmission through subwavelength hole arrays in the terahertz
domain", Opt. Exp. 17, 15280 (2009).
N. Olivier, D. Débarre et E. Beaurepaire, "Dynamic aberration correction for
multiharmonic microscopy", Opt Lett 34, 3145 (2009).
N. Olivier, A. Mermillod-Blondin, C. B. Arnold et E. Beaurepaire, "Two-photon microscopy
with simultaneous standard and extended depth of field using an acoustic gradient-index
lens", Opt Lett 34, 1684 (2009).
R. S. Pillai, C. Boudoux, G. Labroille, N. Olivier, I. Veilleux, E. Farge, M. Joffre et E.
Beaurepaire, "Multiplexed two-photon microscopy of dynamic biological samples with
shaped broadband pulses", Opt. Express 17, 12741 (2009).
Annee 2008
N. Desprat, W. Supatto, P.-A. Pouille, E. Beaurepaire et E. Farge, "Tissue deformation
modulates Twist expression to determine anterior midgut differentiation in Drosophila
embryos", Dev. Cell 15, 470 (2008).
J.-B. Masson et G. Gallot, "A model for thermal exchange in axons during action potential
propagation", Eur. Biophys. J. 37, 1001 (2008).
J.-B. Masson, A. Podzorov et G. Gallot, "Anomalies in the disappearance of the
extraordinary electromagnetic transmission in subwavelength hole arrays", Opt. Express
16, 4719 (2008).
N. Olivier et E. Beaurepaire, "Third-harmonic generation microscopy with focusengineered beams: a numerical study", Opt. Express 16, 14703 (2008).
A. Podzorov et G. Gallot, "Low-loss polymers for terahertz applications", Appl. Opt. 47,
3254 (2008).
M. Strupler, M. Hernest, C. Fligny, J.-L. Martin, P.-L. Tharaux et M.-C. Schanne-Klein,
"Second Harmonic Microscopy to Quantify Renal Interstitial Fibrosis and Arterial
Remodeling", Journal of Biomedical Optics sous presse (2008).
J. Whitehead, D. Vignjevic, C. Fütterer, E. Beaurepaire, S. Robine et E. Farge,
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Annee 2007
D. Débarre et E. Beaurepaire, "Quantitative characterization of biological liquids for thirdharmonic generation microscopy", Biophys. J. 92, 603 (2007).
D. Débarre, N. Olivier et E. Beaurepaire, "Signal epidetection in third-harmonic
generation microscopy of turbid media", Opt. Express 15, 8913 (2007).
J.-B. Masson et G. Gallot, "True near field versus contrast near field imaging. II. imaging
with a probe", Opt. Express 15, 3078 (2007).
A.-M. Pena, A. Fabre, D. Débarre, J. Marchal-Somme, B. Crestani, J.-L. Martin, E.
Beaurepaire et M.-C. Schanne-Klein, "Three-dimensional investigation and scoring of
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Microsc. Res. Techn. 70, 162 (2007).
M. Strupler, A.-M. Pena, M. Hernest, P.-L. Tharaux, J.-L. Martin, E. Beaurepaire et M.-C.
Schanne-Klein, "Second harmonic imaging and scoring of collagen in fibrotic tissues",
Opt. Express 15, 4054 (2007).
Annee 2006
T. Boulesteix, A. M. Pena, N. Pagès, G. Godeau, M.-P. Sauviat, E. Beaurepaire et M. C.
Schanne-Klein, "Micrometer scale ex vivo multiphoton imaging of unstained arterial wall
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D. Débarre, W. Supatto, A.-M. Pena, A. Fabre, T. Tordjmann, L. Combettes, M.-C.
Schanne-Klein et E. Beaurepaire, "Imaging lipid bodies in cells and tissues using thirdharmonic generation microscopy", Nat. Methods 3, 47 (2006).
J.-B. Masson et G. Gallot, "Coupling between surface plasmons in subwavelength hole
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J.-B. Masson et G. Gallot, "True near field versus contrast near field imaging", Opt.
Express 14, 11566 (2006).
J.-B. Masson et G. Gallot, "Terahertz achromatic quarter-wave plate", Opt Lett 31, 265
(2006).
J.-B. Masson, M.-P. Sauviat et G. Gallot, "Ionic contrast terahertz time resolved imaging
of frog auricular heart muscle electrical activity", Appl. Phys. Lett. 89, 153904 (2006).
J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, "Ionic contrast terahertz near field
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J. P. Ogilvie, E. Beaurepaire, A. Alexandrou et M. Joffre, "Fourier-transform coherent
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J. P. Ogilvie, D. Débarre, X. Solinas, J.-L. Martin, E. Beaurepaire et M. Joffre, "Use of
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D. Débarre, A.-M. Pena, W. Supatto, T. Boulesteix, M. Strupler, M.-P. Sauviat, J.-L.
Martin, M.-C. Schanne-Klein et E. Beaurepaire, "Microscopies multi-harmoniques pour
l'imagerie structurale de tissus intacts", Médecine Sciences 22, 845 (2006).
M. Hernest, A.-M. Pena, M. Strupler, E. Beaurepaire, J.-L. Martin, M.-C. Schanne-Klein et
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génération de second harmonique", Médecine Sciences 10, 820 (2006).
Annee 2005
D. Débarre, W. Supatto et E. Beaurepaire, "Structure sensitivity in third-harmonic
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J. Ogilvie, K. Kubarych, A. Alexandrou et M. Joffre, "Fourier transform measurement of
two-photon excitation spectra: applications to microscopy and optimal control", Opt. Lett.
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A.-M. Pena, T. Boulesteix, T. Dartigalongue et M.-C. Schanne-Klein, "Chiroptical effects
in the second harmonic signal of collagens I and IV", J. Am. Chem. Soc. 127, 10314
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"Spectroscopic analysis of keratin endogenous signal for skin multiphoton microscopy",
Opt. Express 13, 6268 (2005).
W. Supatto, D. Débarre, E. Farge et E. Beaurepaire, "Femtosecond pulse-induced
microprocessing of live Drosophila embryos", Med. Laser Applic. 20, 207 (2005).
W. Supatto, D. Débarre, B. Moulia, E. Brouzés, J.-L. Martin, E. Farge et E. Beaurepaire,
"In vivo modulation of morphogenetic movements in Drosophila embryos with
femtosecond laser pulses", Proc. Nat. Acad. Sci. USA 102, 1047 (2005).
Annee 2004
T. Boulesteix, E. Beaurepaire, M.-P. Sauviat et M.-C. Schanne-Klein, "Second harmonic
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with 20 nm accuracy", Opt. Lett. 29, 2031 (2004).
D. Débarre, W. Supatto, E. Farge, B. Moulia, M.-C. Schanne-Klein et E. Beaurepaire,
"Velocimetric-third harmonic generation microscopy: micrometer-scale quantification of
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