« Plus de 50 000 microscopes opèrent déjà à travers le globe et tandis que 5 000 unités s'écoulent chaque année émerge la nanoscopie qui s’affranchit de la limite de résolution des microscopes optiques à fluorescence traditionnels », attaque d’entrée Nicolas Bourg, fondateur d'Abbelight. Au lieu de les remplacer et de les reléguer à l'obsolescence, cette spin-off de l’Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO) propose un module, alliant une source laser à un logiciel, s'intégrant à tout microscope inversé conventionnel, simplifiant l'accès à la nanoscopie en 3D. Pour une compréhension plus approfondie des structures cellulaires, la start-up a inauguré, le 2 février dernier, le laboratoire commun baptisé « Nanolife », en partenariat avec l’ISMO, en vue de parvenir à une nanoscopie des cellules vivantes.
Abbelight a été fondée en 2016 pour valoriser les résultats de la thèse de Nicolas Bourg sur la nanoscopie. « Les nanoscopes présents sur le marché exigent une expertise d’emploi et sont assortis de longues séquences de préparation d'échantillons et d'expérimentation », lance-t-il. Pour démocratiser l’usage de cette technique d’imagerie, l’entreprise, nichée à Cachan (Val-de-Marne), déploie un module, composé d’une source laser et d’un logiciel propriétaire, qui se greffe aisément sur tout microscope inversé conventionnel. Ainsi paré, cet appareillage permet de sonder les méandres cellulaires avec une fine acuité, révélant des structures fines, et de localiser des molécules individuelles, telles que les protéines membranaires.
La start-up s’appuie notamment sur la « Single Molecule Localization Microscopy » (SMLM), dont les inventeurs, américains et allemands, ont été récompensés par le prix Nobel de chimie en 2014. Son principe repose sur le marquage des structures biologiques à l'aide de fluorophores. « Mais si l'on se contente d'appliquer les fluorophores, chaque élément cellulaire émettra un signal, rendant vaine toute tentative d'observation individuelle des cellules, pointe Nicolas Bourg. Avec la SMLM, on va retarder l'émission de fluorescence, de manière à ce que chaque élément lumineux observé ne soit attribuable qu'à une seule et unique molécule. C’est ce qu’on appelle le photo-clignotement, permettant de distinguer spatialement avec une grande précision les différentes structures. »
En répétant ce processus lors d’acquisitions d’images consécutives, les données sont traitées pour détecter des molécules uniques avec une précision nanométrique (10 nm à 20 nm). Chaque molécule est ensuite identifiée et localisée par des algorithmes spécifiques pour reconstruire une image nanoscopique.
Observer sans dégrader le vivant
La nanoscopie à super-résolution dévoile la structure macromoléculaire, permet de mesurer avec précision les distances intermoléculaires, et de quantifier les interactions moléculaires à une échelle nanométrique, sur des échantillons cellulaires « figés ». Cependant, son champ opératoire demeure actuellement circonscrit aux cellules inanimées. « La microscopie représente 80 % des techniques d'imagerie à l'heure actuelle en sciences du vivant parce qu’elle permet d'observer des phénomènes liés à la vie, de la division cellulaire jusqu'aux effets des médicaments », note le fondateur d’Abbelight.
Le vivant est encore inaccessible pour deux principales raisons. Tout d'abord, cette technique requiert le recours à la photochimie des molécules intégrées à l'échantillon, afin de les rendre fluorescentes, ce qui peut entraîner des réactions phototoxiques, en parallèle à l'utilisation de lasers dont l'effet peut être comparé à celui d'une exposition solaire excessive sur la peau, menant ainsi à la détérioration cellulaire.
Ensuite, l'acquisition d'une image de nanoscopie à haute résolution nécessite la capture de plusieurs milliers d'images, « un processus long qui s'étend sur plusieurs minutes voire quelques heures, rendant cette technique peu propice à l'observation en temps réel des cellules vivantes, donc mobiles », souligne Guillaume Dupuis, maître de conférences à l’Université Paris-Saclay et directeur d'Abbelight.
L’intelligence de l’excitation et l’intelligence artificielle
Afin de surmonter ces obstacles, les équipes d’Abbelight et les chercheurs de l’ISMO seront mobilisés dans le laboratoire commun « Nanolife » autour de deux axes de développement majeurs. En premier lieu, le projet entreprend la conception de marqueurs fluorescents adaptés aux cellules vivantes, favorisant ainsi le phénomène de photo-clignotement, tout en explorant des sondes compatibles avec le milieu biologique, « capables de clignoter de façon spontanée et sans recourir à des solutions de photochimie oxygénante ».
En parallèle, le laboratoire envisage de mettre au point une approche d'excitation intelligente, visant à diriger le laser exclusivement vers des zones spécifiques de l'échantillon, en adaptant sa puissance requise en conséquence. « Cette approche implique une détection initiale en temps réel, permettant d'établir une cartographie préalable des molécules d'intérêt et de discerner avec exactitude la structure cellulaire à observer en projetant le laser », précise Nicolas Bourg.
Cette intelligence de l'excitation sera associée à l'intelligence artificielle, dans l’objectif d'accélérer la détection des structures, jusqu'à atteindre une résolution temporelle de l'ordre de la seconde. « Nous envisageons d’utiliser l'intelligence artificielle par renforcement avec une base de données propriétaire pour prédire la structure et la reconstruction de l’image de nanoscopie à partir d’un nombre réduit d’observations », expose-t-il.
Recherche et industrie dans le viseur
Les applications de ces avancées se destinent essentiellement au marché de la recherche académique, en particulier pour des applications en neurosciences. Avec l'évolution de ses techniques, notamment l'intégration du machine learning pour prédire les structures intracellulaires, la start-up vise à étendre son champ d'action vers le marché pharmaceutique. « Ce domaine utilise la microscopie pour observer les effets d'un principe actif sur la cellule, mais les chercheurs n'arrivent pas encore à voir les structures intracellulaires. Avec les améliorations pour une détection rapide, Abbelight pourra leur proposer une méthode qui leur permettra d’améliorer le criblage », conclut Nicolas Bourg.
