01 Sep L’IRM bénéficie d’une mise à niveau nanométrique
Des chercheurs de l’Institut Weizmann ont atteint une résolution IRM d’un milliardième de mètre, ouvrant la voie aux images les plus détaillées jamais obtenues de molécules individuelles.
Les IRM classiques, que nous connaissons bien dans les hôpitaux, ont une résolution d’environ un dixième de millimètre, ce qui leur permet de visualiser des coupes incroyablement fines de notre corps, de la tête aux pieds, aidant ainsi les médecins à diagnostiquer diverses pathologies. Cependant, même cette ultra-haute résolution est insuffisante pour les chercheurs qui souhaitent étudier la structure des molécules individuelles. Une nouvelle technologie mise au point dans le laboratoire du Dr Amit Finkler à l’Institut Weizmann des Sciences permet aux chercheurs de réaliser des IRM avec une résolution d’un nanomètre (un millionième de millimètre, soit un milliardième de mètre) ou plus. Le nouveau dispositif de nano-IRM, récemment décrit dans Communications Physics, pourrait permettre de distinguer toutes les minuscules particules, les atomes, qui composent une seule molécule, générant ainsi les images les plus détaillées jamais produites de molécules individuelles. Il représente un bond en avant considérable dans la course au développement d’applications de la nano-IRM pour la recherche et pour une utilisation dans les industries des matériaux et pharmaceutiques.
(de gauche à droite) Leora Schein-Lubomirsky et le Dr Amit Finkler dans le laboratoire. Un microscope confocal combiné à un microscope à force atomique permet d’obtenir une résolution sans précédent.
L’IRM repose sur une propriété des particules élémentaires présentes dans les atomes appelée « spin ». Il s’agit d’une propriété magnétique qui peut être visualisée comme une rotation autour d’un axe, à l’instar d’une toupie, et qui se caractérise par une fréquence (le nombre de « rotations » par seconde) appelée « fréquence de résonance ». C’est cette fréquence de résonance que mesure l’appareil d’IRM. Elle dépend du type de particule mesurée et de la force du champ magnétique environnant. Dans l’IRM conventionnelle, un gradient de champ magnétique, dont la force varie le long du corps du patient, fait varier la fréquence de résonance, ce qui permet à l’appareil de différencier les coupes de tissu. Un gradient plus raide permet d’obtenir des coupes plus fines. La question posée par les chercheurs de Weizmann était la suivante : un gradient de champ magnétique pourrait-il également être utilisé pour distinguer les particules individuelles au sein d’une même molécule ?
Les scientifiques du laboratoire du Dr. Finkler, au Département de Physique Chimique et Biologique, avaient déjà mis au point une méthode de balayage par résonance magnétique basée sur un diamant synthétique. À l’intérieur du diamant se trouve un minuscule défaut de la taille d’un atome, appelé centre de vacance d’azote. Ce défaut agit comme un capteur qui modifie l’intensité de la lumière rouge qu’il émet en fonction du spin des particules adjacentes. L’avantage du centre de vacance d’azote est qu’il est très sensible aux signaux les plus faibles, comme la présence d’une seule particule située à 50 nanomètres. Le problème, cependant, était qu’il ne différenciait pas toujours efficacement les unes des autres des particules adjacentes et que la lumière qu’il émettait était influencée par les propriétés moyennes de toutes les particules voisines. Il était donc difficile d’utiliser ce capteur pour obtenir une image des atomes individuels qui composent une molécule.
Le système nano-IRM Weizmann vu sous un microscope électronique. En haut : un diapason qui permet de contrôler la distance entre la pointe en quartz et le capteur en diamant, et donc de contrôler le gradient du champ magnétique autour du capteur. Échelle : 300 microns. En bas : gros plan de la pointe avec un centre en quartz (zone plus foncée), recouverte d’un conducteur en or en forme d’arc carré (zone plus claire). Échelle : 500 nanomètres.
Dans leur nouvelle étude, menée par la doctorante Leora Schein-Lubomirsky, les chercheurs ont mis au point une machine qui génère un gradient de champ magnétique focalisé autour d’un capteur magnétique atomique. Cette machine est basée sur une pointe de quartz recouverte d’un conducteur en or en forme d’arc carré. Lorsqu’un courant électrique a été envoyé dans le fil, il a généré un gradient de champ magnétique; les variations du champ magnétique sont les plus fortes près des coins du rectangle et s’affaiblissent progressivement à mesure que l’on s’en éloigne.
« Les variations du champ magnétique ont entraîné des changements dans la fréquence de résonance des atomes, en fonction de leur position dans la molécule », explique Leora Schein-Lubomirsky. « Auparavant, le capteur était incapable de distinguer plusieurs atomes d’hydrogène proches les uns des autres et de déterminer leur emplacement, mais désormais, dans chaque région de la molécule, un atome d’hydrogène présente une fréquence de résonance différente. Nous pourrons alors assembler des images montrant ces différents emplacements pour obtenir une image complète de la molécule. »
« Ne regardez pas le champ, mais le changement qui s’y produit »
« La prise de conscience qui a conduit à cette nouvelle avancée est que nous pouvions produire un gradient de champ magnétique très important, même si la taille absolue du champ restait faible », explique le Dr. Finkler. « Même si notre champ magnétique est nettement plus faible que celui d’un appareil IRM commercial, son gradient, c’est-à-dire la vitesse à laquelle le champ magnétique varie en fonction de la distance par rapport à l’appareil, est beaucoup plus important. C’est ainsi que nous avons obtenu une résolution d’un nanomètre, et nous pensons que notre appareil est capable d’atteindre des résolutions encore plus élevées, ce qui signifie qu’il serait capable de scanner la structure d’une molécule individuelle. »
Le nouvel appareil constitue également une amélioration par rapport aux systèmes à capteur de diamant précédents, car il peut activer et désactiver le champ magnétique à la demande, et ce en seulement 0,6 millionième de seconde. En effet, le champ n’est pas produit par un aimant, mais par un courant électrique qui peut être activé ou désactivé. « La possibilité d’activer et de désactiver rapidement le champ magnétique garantit moins de perturbations et une numérisation plus précise », ajoute le Dr. Finkler.
Dr. Finkler et Schein-Lubomirsky
L’imagerie moléculaire haute résolution joue un rôle crucial dans les industries des matériaux et pharmaceutiques. Aujourd’hui, chaque médicament fabriqué est soumis à des tests de résonance magnétique afin de garantir qu’il ne contient que la substance souhaitée, dans la structure moléculaire et la disposition correctes, sans danger pour l’homme. Cependant, les méthodes actuelles nécessitent de grandes quantités d’échantillons, qui peuvent être difficiles à obtenir, en particulier au cours des premières phases de développement. De plus, ces tests ne peuvent pas être effectués à température ambiante et leur résolution reste limitée.
« L’appareil de nano-IRM que nous proposons peut fonctionner à température ambiante et examiner la structure des matériaux dans les conditions exactes dans lesquelles ils sont censés être utilisés », souligne le Dr. Finkler. « L’appareil produira également une image plus détaillée de la structure moléculaire et permettra de tester un échantillon plus petit et nettement moins coûteux, ne contenant que quelques molécules du matériau. De plus, cet appareil pourrait aider à comprendre pourquoi certaines substances se comportent parfois de manière inattendue dans le monde réel, par rapport aux résultats des tests en laboratoire, et s’il existe des différences inconnues entre des substances qui semblent identiques. »
La Science en Chiffres
Le gradient du champ magnétique, c’est-à-dire la vitesse à laquelle le champ varie en fonction de la distance par rapport à l’appareil, est de 0,1 tesla par mètre dans les appareils IRM classiques. En revanche, le nouvel appareil atteint un gradient de 1 000 teslas par mètre, soit une augmentation de 10 000 fois qui permet d’obtenir une résolution nettement supérieure.
