Imagerie avancée des cardioïdes

Advanced imaging of cardioids

• Auteur / Autrice : Matheus Cândia araña
• Direction : Willy Supatto
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LOB - Laboratoire d'Optique et Biosciences

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie

Imagerie computationalle

Illumination par nappe de lumière

Generation de seconde harmonique

Multiphoton

Organoides

Computational imaging

Microscopy

Second harmonic generation

Light-sheet illumination

Multiphoton

Organoids

Résumé

Les cardioïdes sont des assemblages de cellules iPSC (cellules souches induites à la pluripotence) en 3D qui peuvent remarquablement reproduire la structure et la fonction d'un cœur in vitro. Cette technologie émergente est révolutionnaire et prometteuse pour la recherche fondamentale en sciences de la vie et les applications biomédicales. C'est également une excellente occasion pour notre équipe (l'unité de microscopie avancée du LOB) d'adapter et de développer nos outils d'imagerie avancée, avec un impact direct sur la recherche biomédicale humaine. En effet, les cardioïdes sont bien adaptés à l'imagerie live par microscopie multiphoton en raison de leur petite taille (de l'ordre du millimètre) et de leurs propriétés optiques. Au sein d'un réseau d'experts en microscopie, biologie, informatique et microfluidique, l'objectif de ce projet interdisciplinaire de doctorat est d'étudier quantitativement la morphogenèse et la fonction contractile des cardioïdes avec une résolution sub-cellulaire en utilisant des outils d'imagerie optique avancés. Cette tâche est difficile pour plusieurs raisons. (i) L'imagerie à haute vitesse sur un large champ de vue et sans induire de photodommages est nécessaire pour capturer la dynamique cardiaque, en particulier dans le cas des cardioïdes humains. (ii) La grande taille des données d'imagerie 4D acquises empêche l'utilisation d'une analyse d'image manuelle, ce qui nécessite des approches automatisées. (iii) Malgré les améliorations récentes de la vitesse d'acquisition des microscopes à fluorescence, la résolution temporelle ou le rapport signal/bruit limite considérablement la capacité à suivre de manière fiable les cellules les plus rapides tout au long du cycle cardiaque. (iv) Enfin, il est nécessaire de remplacer le marquage fluorescent par des approches live sans marquage afin de simplifier et d'accélérer le travail expérimental. Pour surmonter ces limitations, le candidat au doctorat développera plusieurs nouvelles stratégies pour l'imagerie live de cardioïdes battants. Cela inclut le développement de la microscopie de génération de seconde harmonique (SHG) pour capturer la contractilité des myofibrilles cardiaques en 3D et sans marquage. Nous exploiterons la nature périodique du mouvement cardiaque pour améliorer la qualité des images, automatiser leur analyse et concevoir une nouvelle stratégie d'imagerie computationnelle (coll. M. Liebling, IDIAP, Suisse) pour accélérer l'imagerie SHG. Nous avons récemment obtenu des résultats préliminaires spectaculaires en utilisant le cœur embryonnaire du poisson zèbre comme modèle : nous avons pu capturer la dynamique de contraction de sarcomères individuels en 3D dans un cœur vivant et non marqué avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent (1 ms ou 1000 volumes d'images/seconde). Le candidat améliorera la robustesse de cette approche et l'étendra à des modèles plus complexes, tels que les cardioïdes de souris (coll. Institut Pasteur, Paris) et humains (coll. INSERM, MMG, Marseille).

Cardioids are 3D assemblies of induced pluripotent stem cells (iPSC) that can remarkably recapitulate the structure and function of hearts in vitro. This rapidly emerging technology is groundbreaking and holds great promise for both basic life science research and biomedical applications. It is also a great opportunity for our team (LOB Advanced Microscopy Unit) to adapt and develop our advanced optical tools with a direct impact on human biomedical research. Indeed, cardioids are well suited for live imaging with multiphoton microscopy due to their small size (in the mm range) and optical properties. Within a network of experts in microscopy, biology, computer science and microfluidics, the aim of this interdisciplinary PhD project is to quantitatively investigate morphogenesis and contractile function of cardioids at sub-cellular resolution using advanced optical imaging tools. This task is challenging for several reasons. (i) High-speed imaging over a large field of view and without inducing photodamage is required to capture cardiac dynamics, especially in the case of human cardioids. (ii) The large size of the acquired 4D imaging data prevents the use of manual image analysis, requiring automated approaches. (iii) Despite recent improvements in acquisition speed of fluorescence microscopes, the temporal resolution or signal-to-noise ratio significantly limits the ability to reliably track the fastest cells throughout the cardiac cycle. (iv) Finally, there is a need to replace the fluorescent labeling with live label-free approaches to simplify and speed-up the experimental workflow. To overcome these limitations, the PhD candidate will develop several new strategies for live imaging of beating cardioids. This includes the development of label-free Second Harmonic Generation (SHG) microscopy to capture the contractility of cardiac myofibrils in 3D and without labeling. We will exploit the periodic nature of cardiac motion to improve image quality, automatize image analysis and devise a new computational imaging strategy (coll. M. Liebling, IDIAP, Switzerland) to speed-up SHG imaging. We have recently obtained spectacular preliminary results using the zebrafish embryonic heart as a model: we were able to capture the contraction dynamics of individual sarcomeres in 3D in a live and unlabeled heart with unprecedented spatial and temporal resolution (1 ms or 1000 image volumes/second). The candidate will improve the robustness of this approach and extend it to more challenging models, such as of mouse (coll. Institut Pasteur, Paris) and human (coll. INSERM, MMG, Marseille) cardioids.