Passer sa vie dans un incubateur n’est pas une sinécure. Ce n’est pas que l’on risque de s’y ennuyer. Dans une culture cellulaire, les individus se divisent, croissent, prolifèrent, s’assemblent… Certains y meurent, même. Mais les conditions de vie (50 % d’humidité et 37 °C à longueur de journée, dans un espace plutôt réduit) sont inconfortables. Pourtant, un nouveau venu n’hésite plus à s’y installer pour des jours, voire des semaines : un microscope assez robuste et compact pour jouer les caméras de surveillance dans l’incubateur et contrôler en continu la vie d’une population de milliers de cellules. Avec cet instrument, les biologistes peuvent garder un œil sur leur culture sans interrompre l’expérience, tandis que les chercheurs de l’industrie pharmaceutique pourront observer en direct l’effet bénéfique ou toxique d’une nouvelle molécule.
Le recours à l’holographie
Pour s’adapter aux contraintes de l’incubateur, le microscope a pris une mesure radicale. Il s’est débarrassé de ses lentilles. Plus d’objectifs, plus de mise au point à faire ou à refaire périodiquement. Un capteur d’image sur puce, comme celui qui équipe les smartphones, une LED pour éclairer l’échantillon, c’est tout ce qu’il faut pour voir des cellules avec une résolution de l’ordre du micron. Iprasense, une start-up française qui exploite une technologie développée au CEA-Leti, est la première à mettre sur le marché un microscope sans lentilles. D’autres équipes planchent sur le sujet. À UCLA (l’université de Californie à Los Angeles), le laboratoire d’Aydogan Ozcan – un pionnier – a, depuis 2009, axé ses recherches sur l’application du « lens-free microscope » au diagnostic médical. À l’Imec, le centre de microélectronique belge, on aimerait intégrer des microscopes sans lentilles dans des labos sur puce. Au Caltech (l’Institut de technologie de Californie), non content de profiter des capteurs d’images développés pour les smartphones, on s’efforce de transformer directement un smartphone en microscope.
Tous se réfèrent à un ancêtre commun, Dennis Gabor, prix Nobel de physique 1971 et inventeur de l’holographie. Car le microscope sans lentilles exploite ce procédé, qui consiste à recréer l’image d’un objet à partir d’un diagramme d’interférence : les signaux qui résultent de la superposition entre la lumière qui éclaire l’objet et celle que ce dernier diffuse. Recueillis par un capteur, ces signaux permettent, par le calcul, de reconstituer l’image de l’objet. Dans un microscope « lens-free », ce sont donc des algorithmes mathématiques qui jouent le rôle des lentilles. « Pour passer de la théorie à la pratique, il a fallu attendre des capteurs d’image de taille et de résolution suffisantes, les capteurs CMOS, dont le développement est tiré par l’explosion des smartphones », explique Cédric Allier, chercheur au CEA-Leti. En l’absence de lentilles, c’est du même coup le champ de vision de l’instrument, égal à la taille du capteur, qui s’est élargi : de 20 à 30 mm2, permettant de voir des milliers de cellules en même temps. Le microscope peut ainsi surveiller des cultures cellulaires. Pour cette application, Iprasense, qui a un laboratoire commun avec le Leti, développe des logiciels utiles aux biologistes pour quantifier la croissance des cellules, leurs divisions, l’évolution de leur forme, leurs migrations. « Nous vendons des microscopes aux laboratoires de l’Inserm ou du CNRS. Nous visons les industriels de la pharmacie », indique son dirigeant, Geoffrey Esteban. La start-up veut lancer des versions de son microscope adaptées aux plaques à puits (6, 24, 96 puits…) utilisées pour tester et sélectionner en parallèle des souches de micro-organismes.
Démocratiser son usage
Les microscopes sans lentilles ont aussi vocation à descendre sur le terrain, au plus près des malades. Car ils permettent d’inventer des instruments d’analyses biologiques portables que l’on peut mettre entre les mains des médecins, des infirmiers, voire des patients eux-mêmes. Et qui rendront aussi de grands services dans des régions éloignées de tout laboratoire. Avalun, une autre start-up issue de la technologie lens-free du Leti, prévoit de lancer cet été un appareil de diagnostic sanguin qui effectuera la mesure des temps de coagulation. « L’imagerie sans lentilles est au cœur de l’instrument, mais ses deux autres piliers sont la microfluidique et la maîtrise des réactifs », souligne Vincent Poher, le président d’Avalun. Le diagnostic est l’axe principal de recherche à UCLA, dont le laboratoire a créé sa propre start-up, baptisée Holomic. Réputée pour ses compétences en analyse d’images holographiques, l’équipe californienne a récemment démontré qu’elle savait explorer un tissu biologique en 3 D. La focalisation numérique de son microscope à différentes hauteurs du tissu a permis de détecter des cellules malades.
Là encore, l’idée est d’élargir l’usage d’instruments jusque-là réservés aux spécialistes. Les chercheurs de l’Imec, en Belgique, ont la même ambition, mais avec la contrainte supplémentaire d’effectuer des mesures sur un flux de cellules sanguines afin d’identifier différents types de globules blancs et de les séparer. Leur dispositif comprend la puce microfluidique pour faire circuler l’échantillon et le capteur d’images, ainsi qu’un éclairage stroboscopique et une caméra haute vitesse, pour saisir au vol les globules. Un logiciel assure la classification des cellules. Le laboratoire veut intégrer le tout dans un appareil destiné à des non spécialistes. Une étape dans un projet encore plus ambitieux, Scalpel, visant à réaliser un trieur de cellules à très hautes cadences, composé d’un millier de microcanaux, dont chacun sera intégré avec un microscope sans lentilles. Un instrument sur puce destiné à traquer les cellules tumorales circulantes et à détecter précocement les risques de métastases.
Fabriquer un microscope « lens-free »
Pour réaliser un microscope sans lentilles, il faut :
- Un éclairage LED ou laser
- Un grand capteur d’images CMOS, avec un grand nombre de pixels. Il existe aujourd’hui des puces d’une surface de 24-30 mm2 comportant 16 millions de pixels ou plus.
- Des moyens de calculs pour reconstruire des images à partir des signaux captés par la puce. Les cartes vidéo dotées de processeurs graphiques (GPU) sont bien adaptées.
- Des algorithmes de reconstruction d’image optimisés pour limiter les temps de calcul : de l’ordre d’une seconde par image, ce qui permet de filmer des cultures cellulaires.
- Des logiciels d’applications pour analyser les images et quantifier le nombre, la taille, la forme et l’évolution dans le temps de cellules ou de particules.
Une technologie pour :
- Créer des instruments d’analyses biologiques portables.
- Observer et analyser le comportement de cultures cellulaires dans les incubateurs.
- Détecter des virus ou des nanoparticules.
