« Les experts ne verraient aucune différence »

En retraçant le cheminement des cellules ou des biomolécules dans les organismes, on peut en apprendre beaucoup sur certaines maladies et pour le développement de médicaments. Ceci est possible grâce à la fluorescence des rayons X, une nouvelle forme d’imagerie. Mais jusqu’à présent, cela nécessite un rayonnement spécial provenant des accélérateurs en anneau, appelé rayonnement synchrotron. Les mesures étant très complexes, Theresa Staufer et Florian Grüner de l’Université de Hambourg souhaitent désormais adapter cette méthode au laboratoire. Pour ce faire, ils ont développé un prototype qui utilise une source de rayons X classique mais produit un rayonnement de qualité similaire à celui d’une source synchrotron. Dans une interview accordée à World of Physics, les deux chercheurs expliquent comment cela s’est produit et quelles applications un tel système de laboratoire permet.

Monde de la physique : Comment fonctionne l’analyse par fluorescence X ?

Theresa Staufer : Avec cette nouvelle forme d’imagerie, nous scannons des objets vivants avec un faisceau de rayons X finement focalisé. Ces objets contiennent généralement des composants marqués, par exemple des cellules marquées avec un agent de contraste. Lorsque le faisceau de rayons X atteint une telle cellule, des signaux de fluorescence caractéristiques peuvent être mesurés grâce à l’agent de contraste. De cette manière, nous pouvons déterminer à quel endroit de l’organisme se trouvent quel nombre de ces cellules se trouvent.

Florian Grüner : On peut clairement imaginer les signaux de fluorescence comme une sorte d’« écho de rayons X » : vous y insérez un rayon X et vous obtenez un signal de rayon X en retour. Cependant, celui-ci a des propriétés différentes de celles du signal d’entrée et est caractéristique de chaque élément.

Comment se produit cette fluorescence ?

Theresa Staufer : Lorsque les rayons X frappent la matière, des électrons sont éjectés des couches atomiques. Les électrons situés dans les couches atomiques supérieures comblent ces lacunes. Ils émettent la différence d’énergie entre les coquilles impliquées sous la forme d’un photon X. L’énergie des photons dépend de la distance énergétique entre les coquilles et est donc caractéristique de l’élément chimique concerné. En mesurant l’énergie des photons de rayons X émis, il est possible de déterminer quels éléments sont présents dans un échantillon. Parfois, vous avez de la chance et ce qui vous intéresse contient lui-même des substances fluorescentes. Si ce n’est pas le cas, il peut être marqué avec des nanoparticules ou des agents de contraste moléculaire. Leurs signaux de fluorescence fournissent alors des informations sur leur localisation. En 2021, nous avons pu utiliser cette méthode pour suivre pour la première fois la distribution de cellules immunitaires marquées chez une souris vivante à une source synchrotron.

Comment s’est déroulée votre expérience ?

Theresa Staufer : Dans notre équipe de recherche interdisciplinaire, nous avons d’abord marqué les cellules immunitaires avec un produit de contraste contenant de l’iode. Ceci est également utilisé dans les applications cliniques. Les atomes d’iode peuvent très bien être excités par les rayons X et présentent une fluorescence détectable. Nous avons injecté les cellules immunitaires marquées à deux souris, les avons placées sous anesthésie et examinées aux rayons X à la source synchrotron PETRA III du centre de recherche DESY à Hambourg. Grâce à la méthode de fluorescence X, nous avons pu suivre la manière dont les cellules immunitaires se déplaçaient dans le corps des souris. Nous avons montré que tout fonctionnait !

Florian Grüner : Il y a quinze ans, personne n’aurait cru cela possible. Les photons de rayons X se dispersent très souvent dans des corps plus grands comme les humains, de sorte que vous obtenez de nombreux signaux de fond dans lesquels le signal de fluorescence que vous recherchez est complètement perdu. Nous avons vu cela comme un défi et avons examiné le problème de très près. Nous avons ensuite découvert grâce à des simulations informatiques que la direction dans laquelle vous regardez l’objet fait une différence. Cela signifie que « l’écho génétique des rayons X » est beaucoup plus fort dans certaines directions que dans d’autres. Nous avons utilisé ces connaissances pour développer des algorithmes spéciaux qui extraient le faible signal de fluorescence des données. Nous avons trouvé une autre solution pour scanner des créatures plus petites, comme les souris. Notre succès a désormais ouvert de nombreuses applications possibles. Par exemple, nous menons actuellement avec l’hôpital universitaire de Hambourg-Eppendorf des recherches sur la maladie de Crohn, une maladie chronique des organes digestifs dans laquelle certaines cellules immunitaires sont également impliquées.

Quelles autres applications sont envisageables pour la méthode dans le futur ?

Florian Grüner : Un exemple en médecine clinique serait le suivi de la radiothérapie pour les tumeurs cancéreuses. On pourrait essayer d’identifier des biomarqueurs qui pourraient être utilisés pour évaluer la hauteur de la prochaine dose de rayonnement. La méthode de fluorescence X pourrait également contribuer au développement de médicaments contre le cancer en permettant de voir si les principes actifs atteignent la tumeur. Même des disciplines extérieures aux sciences de la vie, comme la recherche sur les matériaux, peuvent bénéficier de notre méthode.

Pourquoi avons-nous besoin d’un rayonnement synchrotron pour les examens et pourquoi une source de rayons X normale n’est-elle pas suffisante ?

Theresa Staufer : Pour que la méthode fonctionne, il y a quelques exigences en matière de qualité des rayons X : par exemple, il faut une énergie très bien définie pour que le signal de fluorescence puisse être facilement distingué des photons diffusés. Le rayonnement synchrotron a un spectre énergétique très étroit. De plus, il délivre également beaucoup de photons et un très petit diamètre de faisceau. Ceci est important car cela définit la résolution spatiale. Par exemple, si j’ai un faisceau d’un diamètre d’un millimètre, je peux scanner spatialement des objets avec une résolution d’un millimètre. Les sources normales de rayons X émettent généralement un rayonnement avec un spectre d’énergie très large, un faisceau large et beaucoup moins de photons.

Pourquoi cherchez-vous toujours une alternative RSources de rayons X pour l’imagerie par fluorescence X ?

Theresa Staufer : Les mesures au synchrotron sont complexes. Vous devez introduire une demande d’utilisation, puis vous saurez quelques mois plus tard si elle a été approuvée et vous disposez généralement de deux ou trois jours pour effectuer les mesures. Mais nous souhaitions également pouvoir effectuer des mesures intermédiaires. Après quelques détours, nous sommes finalement arrivés à la conclusion que les sources de rayons X conventionnelles peuvent également être utilisées pour l’imagerie par fluorescence X si elles sont améliorées en conséquence. Nous développons actuellement de tels appareils ensemble dans le cadre d’un projet de transfert.

Florian Grüner : Si l’on regarde les endroits dans le monde où se trouvent des synchrotrons, la situation semble vraiment mauvaise dans les pays du Sud. L’un de nos espoirs est que les chercheurs deviendront moins dépendants des sources synchrotron grâce à des instruments de laboratoire peu coûteux. Un autre aspect est le nombre d’échantillons. Dans le court laps de temps passé au synchrotron, nous ne pouvons mesurer que trois ou quatre échantillons. Cependant, les groupes de médecine, de biologie et de biochimie avec lesquels nous travaillons ont généralement besoin d’un nombre beaucoup plus important d’échantillons pour leurs études. C’est aussi une raison pour développer un système de laboratoire pouvant théoriquement fonctionner 24 heures.

Quels progrès avez-vous réalisés jusqu’à présent dans le développement du système de laboratoire ?

Prototype d’un système de laboratoire

Theresa Staufer : Nous avons d’abord utilisé des simulations informatiques pour étudier comment étendre les sources de rayons X conventionnelles. Nous avons ensuite construit un prototype utilisant une optique spéciale à rayons X. Nous avons pu démontrer que les spectres mesurés de cette source de rayons X ressemblent réellement à ceux du synchrotron. Nous pouvons déjà produire la largeur d’énergie étroite ainsi que le diamètre de faisceau dont nous avons besoin.

Florian Grüner : C’est vraiment fantastique. Vous pourriez montrer aux experts un spectre mesuré au synchrotron et un spectre mesuré avec le système du laboratoire. Vous ne verriez aucune différence, et nous en sommes vraiment fiers. La seule différence est que nous avons beaucoup moins de photons par temps, nous devons donc mesurer plus longtemps qu’au synchrotron. Il faut souligner ici que notre système de radiographie de laboratoire ne peut être distingué d’un synchrotron uniquement par l’imagerie de fluorescence X que nous avons développée, précisément parce que les spectres mesurés sont identiques. Toutefois, les synchrotrons restent invaincus pour d’autres applications.

Et après?

Theresa Staufer : J’ai reçu un financement de la Fondation Joachim Herz pour rendre notre prototype encore plus compact. Bien que le premier prototype soit très petit comparé au synchrotron, il reste encore trop grand pour les laboratoires normaux. Nous souhaitons également automatiser autant que possible avec le deuxième prototype, car actuellement, mesurer un échantillon nécessite encore beaucoup de travail manuel. Bientôt, cela sera possible sur simple pression d’un bouton.

Florian Grüner : Nous développons également un troisième prototype dans le cadre de notre projet de transfert en collaboration avec Siemens Healthineers. L’accent est ici mis sur l’augmentation de la puissance de la source de rayons X afin de réduire le temps de mesure. À l’heure actuelle, il faut encore mesurer dix à quinze fois plus longtemps que dans un synchrotron classique. Nous espérons de grands progrès au cours des deux prochaines années grâce à notre collaboration avec Siemens. Espérons qu’à la fin de cette période, il y aura un système de laboratoire permettant des mesures de fluorescence X comme dans un synchrotron et que nous pourrons mettre à la disposition d’autres personnes.