La spectroscopie Raman mesure les cellules infectées par le coronavirus

BioRam® a été récemment utilisé pour reconnaître des cellules infectées par le coronavirus et pour mesurer des cellules sanguines chez les patients. Il détecte la présence de bactéries, sans besoin de cultures préalables, ou mesure les vésicules extracellulaires, comme les exosomes, de façon simple et rapide. Une nouvelle génération de microscopes BioRam® a été mise sur le marché, intégrant des composants de vision de STEMMER IMAGING.

L'analyse des cellules, les diagnostics médicaux avancés ou le contrôle-qualité de produits fabriqués à partir de cellules ont toujours eu un rôle important à jouer dans la recherche biomédicale, indépendamment de l’actuelle pandémie de coronavirus. Cependant, la diffusion fulgurante du Covid-19 dans le monde au printemps 2020 a clairement montré à quel point les progrès dans le domaine de l'analyse médicale étaient essentiels pour pouvoir détecter rapidement les maladies menaçantes et les combattre efficacement.

Dans ce domaine, une innovation venue de la ville de Tutzing en Bavière ouvre désormais de nouvelles possibilités : l'entreprise de technologie médicale CellTool qui y est implantée a présenté la deuxième génération de son système BioRam®, un microscope Raman à piégeage optique optimisé pour la recherche biomédicale. Il permet, entre autres, de détecter des cellules malades ou infectées, de déterminer l'agressivité d'une tumeur, de découvrir des biomarqueurs, de suivre les différences entre les cellules tumorales, d'observer le potentiel de différenciation des cellules souches ou de déterminer la qualité des produits fabriqués à base de cellules. Ce microscope Raman permet également de procéder à une analyse automatique des cellules sanguines pour surveiller leur perte de fonctionnalité, due à leur stockage par exemple, ou suite à une contamination bactérienne ou virale.

Simple comme la microscopie photonique

« BioRam® est un microscope Raman confocal ultrasensible, à piégeage optique, qui rend la spectroscopie Raman aussi simple que la microscopie photonique », explique Mme Katrin Schütze, fondatrice et CSO de CellTool. La spectographie Raman porte le nom de son inventeur, le physicien et prix Nobel indien Sir C. V. Raman. Elle enregistre l’interaction de la lumière laser focalisée avec les biomolécules de la cellule. La lumière inélastique diffusée produit un spectre tout aussi caractéristique qu’une empreinte digitale, ce qui permet une analyse unique des propriétés de la cellule qui peut être utilisée pour le diagnostique cellulaire.

Selon Mme Schütze, la microscopie Raman est très polyvalente : « Partout où les anticorps et les marqueurs atteignent leurs limites ou lorsque les échantillons ne sont disponibles qu’en très faibles quantités, cette méthode offre d'excellentes possibilités. BioRam® est un système idéal pour identifier et caractériser les cellules de manière non invasive et dans des conditions physiologiques. Ainsi, les cellules restent vitales et peuvent être réutilisées dans leur état d'origine. »

De cette façon, il est aussi facile d’examiner des cellules vivantes ou fixées dans une culture cellulaire ou en coupe histologique que des cellules dans des tissus et scaffolds 3D. Les solides et les liquides ainsi que les surnageants cellulaires ou les vaccins peuvent être analysés avec BioRam® en toute simplicité.

Mme Schütze met également en avant une caractéristique particulière de BioRam® : une pince optique, intégrée au microscope. Cette invention a valu le prix Nobel au physicien américain Arthur Ashkin en 2018. « Cet outil permet d'examiner des échantillons en mouvement dans les fluides, car les cellules sont stoppées à l’intérieur du faisceau laser pendant l'analyse Raman. La pince optique peut aussi être utilisée pour déplacer et repositionner des cellules ou des particules ».

Katrin Schütze a rencontré M. Ashkin lors de son stage post-doctoral aux États-Unis. Sous sa supervision, elle a assemblé son premier piège optique et, ensemble, ils ont étudié la force générée par le transport d'organites, étude publiée dans la revue Nature 1990.

Microscope à vision automatisée

L'évaluation des images au microscope est en général très chronophage et demande un personnel expérimenté. Afin de rendre cette étape plus économique, CellTool a pris contact avec les experts en vision industrielle de STEMMER IMAGING pendant la phase de développement de la deuxième génération de BioRam®.

« Les conseils que nous avons reçus ont dépassé nos attentes », se souvient Mme Schütze : « Nous avons très vite reçu les résultats d'une étude de faisabilité approfondie, réalisée dans le laboratoire de STEMMER IMAGING. Cette étude nous a orientés vers l’utilisation d’une caméra adaptée. »

À partir de ces résultats, CellTool a finalisé le développement du nouveau BioRam®, version numérique : l’œil humain est remplacé par une caméra matricielle couleur à interface GigE de la série Manta d'Allied Vision. La définition de l’image de 1388 x 1038 pixels permet d’obtenir tous les détails nécessaires à une analyse automatisée des informations.

« Au lieu d'un être humain, une caméra se charge de regarder dans le microscope. L’analyse des échantillons est ainsi beaucoup plus fiable et rapide », explique Mme Schütze pour illustrer le résultat positif de la coopération avec STEMMER IMAGING.

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De multiples possibilités d'application

Mme Schütze est absolument convaincue des performances du nouveau BioRam® : « Bon nombre de nos résultats ont été confirmés en appliquant des méthodes courantes de tri et d’analyse cellulaire, comme le FACS, le MACS, l'immunocytochimie ou les puces à ADN ou ARN. Toutefois, ces méthodes sont beaucoup plus complexes. Elles nécessitent une quantité beaucoup plus importante de matériel cellulaire ou ne peuvent pas être utilisées pour des cellules vivantes, car la coloration nécessite en général de fixer les cellules. Par ailleurs, les anticorps manquent souvent de spécificité ou ne sont tout simplement pas disponibles pour certains types de cellules ou pour certains états cellulaires. »

Il n'y a pratiquement pas de limites d’applications de ce nouveau système : outre l'analyse d'échantillons biologiques et médicaux pour la recherche et le développement, BioRam® peut également être utilisé pour le contrôle-qualité de scaffolds, membranes, cultures cellulaires ou vaccins.

« Nous sommes persuadés que les laboratoires médicaux profiteront pleinement des avantages du nouveau BioRam®, car il permet une analyse plus rapide et un contrôle simple des processus », a déclaré Mme Schütze. Fini les longues étapes de préparation et les coûts élevés : ce nouveau système permet d'obtenir rapidement un aperçu des réactions aux médicaments et de contrôler la qualité des cultures cellulaires ou des produits à base de cellules. Il intègre également la fluorescence qui offre aux clients la possibilité de visualiser et de mesurer des échantillons colorés par fluorescence.

« BioRam® est la plateforme idéale pour effectuer des analyses cellulaires innovantes, des diagnostics médicaux approfondis ou contrôler la qualité des produits à base de cellules. Ce système offre les conditions nécessaires pour effectuer des mesures directement dans les cultures de cellules, dans les tissus, les transplantations ou les fluides », souligne Mme Schütze.

Nous sommes très heureux d'avoir pu développer, en coopération avec STEMMER IMAGING, un moyen d'améliorer l'analyse des infections virales et de contribuer ainsi efficacement à la lutte contre la pandémie du coronavirus.

Dr. Karin Schütze, founder & CSO of CellTool

CellTool a été créé en 2008 pour mettre la photonique au service de la biomédecine. Grâce à des équipes interdisciplinaires, regroupant des spécialistes en physique, biologie, médecine et informatique, CellTool développe des systèmes entièrement intégrés, faciles à utiliser et polyvalents. Pour la première fois, des échantillons biologiques peuvent être identifiés, analysés et triés sans recours à la coloration, à des marqueurs biochimiques ou fluorescents, ou à des anticorps. Ainsi, les cellules restent intactes et vitales, et peuvent être soumises à d'autres tests.

Les applications possibles vont de la recherche sur les cellules souches et le cancer jusqu’au développement de médicaments, au contrôle-qualité de produits et à la pratique clinique. CellTool dispose d'un laboratoire unique en son genre qui effectue des mesures pour les clients, mais aussi dans lequel les clients peuvent réaliser leur projet eux-même, du début à la fin.

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