Biomécanique par pince optique

Etude des propriétés mécaniques des cellules par pinces optiques et de transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) 

(projet démarré par une collaboration avec le LadHyx et maintenant avec l'Université de Rutgers, New Jersey, USA)

En collaboration avec l'équipe d'Abdul BARAKAT à l'Ecole Polytechnique, nous avons réalisé des expériences préliminaires sur l'étude des propriétés mécaniques des cellules endothéliales des vaisseaux sanguins, impliquées dans le développement de l'athérosclérose.
Depuis 2019, en collaboration avec l'équipe de Nada BOUSTANY à l'université de Rutgers, NJ, USA, nous combinons la microscopie de fluorescence FRET à notre pince optique pour mesurer la force exercée sur la vinculine grâce à une paire de molécules FRET fixées aux deux extrémités de cette protéine, impliquée dans l'adhésion focale sur la matrice extracellulaire et dans la migration cellulaire. Une bille attachée à une intégrine sur la membrane cellulaire permettra d'appliquer une force, et le signal FRET sera calibré pour pouvoir mesurer la force subie par la vinculine.

Personnes impliquées au LCF: Camille Dubois (doctorante depuis 2021), Flavie Gillant (thèse soutenue en 2016), Nathalie Westbrook (PR IOGS)

Références

1. Dubois C, Houel-Renault L, Erard M, Boustany NN, Westbrook N. , “Förster resonance energy transfer efficiency measurements on vinculin tension sensors at focal adhesions using a simple and cost-effective setup.” J Biomed Opt. 2023 Aug;28(8):082808. doi: 10.1117/1.JBO.28.8.082808.
2. Flavie Gillant’s PhD thesis 2016 (http://www.theses.fr/2016SACLO016).
3. A. Menaesse, D. Sumetsky, N. Emanuely, J.L. Stein, E.M. Gates, B.D. Hoffman, N.N. Boustany, “Simplified instrument calibration for wide-field fluorescence resonance energy transfer (FRET) measured by the sensitized emission method”, Cytometry, 99: 407-416 (2021).
4. JP Dumas, J. Jiang, E.M. Gates, B.D. Hoffman, M.C. Pierce, N.N. Boustany, “FRET Efficiency Measurement in a Molecular Tension Probe with a Low-Cost Frequency-Domain Fluorescence Lifetime Imaging Microscope”, J. Biomedical Optics, 24(12), 126501 (2019).

    

Micro rhéologie sur des caillots sanguins à l'aide de pinces optiques

(projet en collaboration avec Jean-Marc Allain à l'Ecole Polytechnique, Laboratoire de Mécanique du Solide)

Nous étudions les propriétés viscoélastiques de caillots sanguins grâce à des billes diélectriques insérées dans le caillot et en mesurant leur mouvement brownien à l'aide de la lumière rétrodiffusée par la pince optique. Ces mesures locales complètent les mesures macroscopiques effectuées au LMS. Une meilleure compréhension des propriétés mécaniques des caillots sanguins, formés par la polymérisation de la fibrine, pourrait améliorer notre connaissance des troubles de la coagulation (phlébites, thromboses) et de la mécanique de la circulation des caillots sanguins dans les vaisseaux.

Personnes impliquées au LCF: Simon Kouba (doctorant depuis oct 2023) , Lionel Lartigue (postdoctorant depuis février 2023), Laura Wolff (thèse soutenue en janvier 2023), Julien Moreau (MdC IOGS), Nathalie Westbrook (PR IOGS)

Références

1. Wolff-Trombini L, Ceripa A, Moreau J, Galinat H, James C, Westbrook N, Allain JM. “Microrheology and structural quantification of hypercoagulable clots.”  Biomed. Opt. Express 14, 4179-4189 (2023)

Calibration en utilisant la lumière rétrodiffusée et la réponse à un mouvement instantané

Le montage combine piégeage optique et microscopie à contraste de phase afin d’appliquer une force tout en imageant les cellules avec le même objectif de microscope. La calibration du piège est réalisée grâce à la lumière rétrodiffusée et les figures d'interférence dues aux réflexions sur la lame de microscope et la bille, observés dans le plan focal arrière de l'objectif. Une modélisation de ces franges d'interférence permet de remonter à la hauteur de la bille avec une grande précision. Le recouvrement de ces franges avec l'anneau de contraste de phase de l'objectif du microscope nécessite que cet anneau soit déporté dans un plan conjugué pour combiner efficacement les deux techniques. Une comparaison approfondie, dans cette configuration retrodiffusée, de nos techniques de calibration par inférence Bayésienne et par réponse à un mouvement instantané, avec les techniques standards a montré qu'en présence de bruit mécanique ou thermique à basse fréquence, la réponse à un mouvement instantané était plus robuste.

Schéma du montage combinant pince optique et microscopie à contraste de phase, en rétrodiffusion. (droite) Principe de la mesure de la hauteur de la bille par  analyse des figures d'interférences.

Personnes impliquées au LCF: David Dulin (doctorant, 2010), Antoine Le Gall (doctorant, 2011), Flavie Gillant (doctorante, 2016), Julien Moreau (MdC IOGS), Karen Perronet (CR CNRS maintenant à LUMIN), Nathalie Westbrook (PR IOGS)

Références

1. F. Gillant, J.Moreau, M. U. Richly, A. Alexandrou, K. Perronet, N.  Westbrook, "Accurate calibration of optical tweezers close to a glass surface using interference rings in backscattered light” J. Eur. Opt. Society-Rapid Publ. 19 (1) 28 (2023)DOI: 10.1051/jeos/2023026
2. Flavie Gillant’s PhD thesis 2016 (http://www.theses.fr/2016SACLO016).

3. A. Le Gall, K. Perronet, D. Dulin, A. Villing, P. Bouyer, K. Visscher, N. Westbrook, "Simultaneous calibration of optical tweezers spring constant and position detector response," Opt. Express 18, 26469-26474 (2010)

Calibration de pince optique par inférence bayésienne

En collaboration avec les équipes d'Antigoni ALEXANDROU à l'Ecole Polytechnique et de Jean-Baptiste Masson à l'Institut Pasteur, nous avons appliqué l'inférence bayésienne pour extraire le potentiel et le coefficient de diffusion du mouvement brownien d'une bille dans un piège optique en utilisant beaucoup moins de points de mesure que les méthodes traditionnelles. 

Trajectoire d'une bille dans un piège optique créé par un laser focalisée de 377 mW (A) et le potentiel du piège inféré par l'algorithme d'inférence bayésien (B). La rigidité du piège dans les directions x et y, kx et ky, est de 0,05 et 0,08 pN/nm, respectivement. 

Personnes impliqués au LCF: Antoine Le Gall (doctorat, 2011), Karen Perronet (CR CNRS maintenant à LUMIN), Nathalie Westbrook (PR IOGS)

Références

1. M. U. Richly, S. Türkcan, A. Le Gall, J.-B. Masson, N. Westbrook, K. Perronet, A. Alexandrou, "Calibrating optical tweezers with Bayesian inference", Opt. Express 21, 31578-31590 (2013)

2. A.S. Serov, F. Laurent, C. Floderer, K. Perronet, C. Favard, D. Muriaux, N. Westbrook, C.L. Verstergaard, J.B. Masson , "Statistical Tests for Force Inference in Heterogeneous Environments", Sci. Rep 10, 3783 (2020).

Endoscopie non linéaire pour le diagnostic précoce in vivo  du cancer (projet terminé)

(projet en collaboration avec Alexandra Fragola à l'ESPCI, Laboratoire Photons et Matière)

Le projet consiste à développer un système micro-endoscopique fibré pour faire de l'imagerie non linéaire cellulaire de tissus biologiques in vivo avec une application à l'étude de la matrice extracellulaire. La modification de la structure des fibres de collagène et d'élastine est une signature précoce bien connue de plusieurs pathologies majeures telles que le cancer. Le passage de la microscopie multiphoton à la micro-endoscopie constituerait une avancée majeure dans le diagnostic clinique. Les résultats préliminaires sur le tissu pulmonaire ex vivo ont validé la méthode mais ont révélé des difficultés à transmettre des impulsions très courtes et intenses dans un faisceau de 30 000 fibres. Ce projet très interdisciplinaire implique donc un effort important en matière d'optique instrumentale. Les développements récents concernent le contrôle de la phase du front d'onde optique, en utilisant un SLM à l'entrée de la fibre, pour compenser le couplage inter-fibres aux longueurs d'onde du proche infrarouge.

 Personnes impliquées au LCF: Christophe Hecquet (IR IOGS), Nathalie Westbrook (PR IOGS)