Combinaison de la microscopie de fluorescence X et de l'imagerie X par contraste de phase pour l'imagerie clinique sub-cellulaire

combined phase and X-Ray fluorescence imaging at the sub-cellular level

• Auteur / Autrice : Ewelina Kosior
• Direction : Sylvain Bohic, Peter Cloetens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/02/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European Synchrotron Radiation Facility - Grenoble Institut des Neurosciences
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INSERM U836, équipe 6, Rayonnement synchrotron et recherche médicale
• Jury : Président / Présidente : Laurent Charlet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Letang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Moretto, Stefano Lagomarsino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale

Biophysique

Rayonnement synchrotron

Mots clés libres

Synchrotron

Imagerie X

Fluorescence

Contraste de phase

Niveau sub-cellulaire

Imagerie corrélative

Nanoparticules

Synchrotron

X-ray imaging

Fluorescence

Phase contrast

Sub-cellular level

Correlative imaging

Nanoparticles

Résumé

Ce travail de thèse présente une combinaison unique d'imagerie X par contraste de phase avec la fluorescence X pour des échantillons biologiques étudiés par nanosonde par fluorescence X excitée par le rayonnement synchrotron. Les récents développements dans ce domaine ouvrent la possibilité d'une imagerie chimique quantitative à l'échelle sub-cellulaire. Ceci a été rendu possible par l'utilisation d'un outil unique qui est la station de nanoimagerie X ID22NI de l'ESRF qui permet de délivrer un faisceau sub-100 nm avec un très haut flux à haute énergie entrainant une sensibilité très haute, de l'ordre de quelques centaines d'atomes pour différents éléments (Fe, Cu, Zn…). Le couplage des informations issues de l'imagerie X par contraste de phase (masse surfacique de la cellule) et de la fluorescence X (masse surfacique des éléments chimiques) a pu être obtenu pour la première fois donnant accès à une cartographie des éléments chimiques constituant les cellules et de leurs fractions massiques absolues associées. Dans l'immédiat, il n'a été possible d'étudier des cellules qui ont été congelées rapidement puis lyophilisées, cependant, une nouvelle ligne de nanoimagerie, NINA, en construction à l'ESRF, fonctionnera comme un cryomicroscope et permettra l'analyse 2D/3D d'échantillons biologiques ou non congelés hydratés. L'extension de l'imagerie chimique 2D présentée dans ce travail à une imagerie 3D représente une importante avancée pour bon nombre de problématiques scientifiques en biologie. Une des limitations de ce type d'analyse est celle des dommages radio-induits à la suite de l'irradiation de l'échantillon par un haut flux de particules ionisantes. Il existe que peu ou pas d'étude sur les effets de la nanoanalyse par fluorescence X sur les cellules lyophilisées. Nous avons combiné l'imagerie de phase à l'imagerie par fluorescence X ce qui nous permis de conclure à une rétractation des structures cellulaires accompagnée d'une volatilisation des éléments du fait de l'irradiation lors de l'analyse par fluorescence X. Ces aspects ont été confortés par des analyses utilisant une technique complémentaire non-synchrotron de microscopie ionique en transmission et à balayage (STIM). Plus important encore, nous apportons ainsi un outil rapide et non-destructif pour la cellule (imagerie X de phase) qui permet de corriger la perte de masse due à la volatilisation d'éléments légers (C, H, O, N) de la matrice cellulaire. Cette démarche permet de fiabiliser l'analyse quantitative de la composition chimique cellulaire. Cette approche sera précieuse pour corriger ces effets de perte de masse lors de futures analyses tomographiques de cellules entières congelées hydratées. Nous avons également contribué à l'étude de distribution intracellulaire de nouvelles nanoparticules d'or ou de platine fonctionnalisées. Nous avons pu exploiter les données issues de la fluorescence X pour estimer le nombre de nanoparticules et la taille des clusters internalisés au sein des cellules. Toutefois, des expériences dédiées pour des analyses sur un plus grand nombre de cellules auxquelles l'imagerie X par contraste de phase serait menée en parallèle permettraient surement de préciser plus finement ces aspects quantitatifs sur le nombre de nanoparticules intracellulaires. Dans l'ensemble ce travail ouvre la possibilité d'une imagerie chimique quantitative absolue sub-cellulaire en 2D ou 3D avec la perspective d'imagerie corrélative avec de nombreuses techniques complémentaires notamment la microscopie électronique à transmission pour l'ultrastructure, la microscopie de fluorescence pour la localisation de proteines d'intérêts et d'autres techniques d'analyses chimiques telles le NanoSIMS ou le nano-PIXE.

This work presents some recent developments in the field of hard X-ray imaging appliedto biomedical research. As the discipline is evolving quickly, new questions appear andthe list of needs becomes bigger. Some of them are dealt with in this manuscript.It has been shown that the ID22NI beamline of the ESRF can serve as a proper experimentalsetup to investigate diverse aspects of cellular research. Together with its highspatial resolution, high flux and high energy range the experimental setup providesbigger field of view, is less sensitive to radiation damages (while taking phase contrastimages) and suits well chemical analysis with emphasis on endegeneous metals (Zn, Fe,Mn) but also with a possibility for for exogoneous one’s like these found in nanoparticles(Au, Pt, Ag) study.Two synchrotron-based imaging techniques, fluorescence and phase contrast imagingwere used in this research project. They were correlated with each other on a numberof biological cases, from bacteria E.coli to various cells (HEK 293, PC12, MRC5VA,red blood cells).The explorations made in the chapter 5 allowed preparation of more establishedand detailed analysis, described in the next chapter where both techniques, X-ray fluorescenceand phase contrast imaging, were exploited in order to access absolute metalprojected mass fraction in a whole cell. The final image presents for the first timetrue quantitative information at the sub-cellular level, not biased by the cell thickness.Thus for the first time a fluorescence map serves as a complete quantitative image of acell without any risk of misinterpretation. Once both maps are divided by each otherpixel by pixel (fluorescence map divided by the phase map) they present a completeand final result of the metal (Zn in this work) projected mass fraction in ppm of dryweight. For the purpose of this calculation the analysis was extended to calibration(non-biological) samples. Polystyrene spheres of a known diameter and known densityworked very well here and allowed validation of the presented method. Different images(phase map, AFM, STIM) and profiles were compared and statement on the high accuracyof phase contrast imaging for the thickness/structures determination was made.The result on true metal projected mass fraction represents a first step to an absolutesub-cellular analysis and certainly can be improved to even closer reflect on reality.All the measurements were taken on freeze-dried cells. Thus the result is in ppm ofdry weight. In fact the measurement would have even deeper meaning if it was madeon hydrated cells. For the moment this is not possible with the existing setup of theID22NI beamline but will be possible in the future with a new beamline devoted tonano science - NINA (Nano-Imaging and Nano-Analysis). The new beamline will befurnished with a cryostage and X-ray imaging will be made on frozen-hydrated samples.Nevertheless the analysis presented in this manuscript is of undeniable importance toboth the biomedical community and to the ESRF team engaged in the NINA development.To answer the problems of cell irradiation both imaging techniques were exploitedagain. Repeating the phase contrast imaging after the fluorescence scanning allowedto show the changes induced by radiation damage during X-ray fluorescence scan. Thechanges were not only clearly visible but could be as well quantified. Together with thenumerical evaluation of damages, the dose delivered to a cell during the experiment was calculated as well. To complete the picture, a different non synchrotron-basedimaging technique, STIM, was used and compared. It is the first time that phase contrastimaging is used to monitor radiation damage effects during X-ray fluorescencemicroscopy experiments.