Histoires de réussite: Une première technologie au monde d’émission de photons ultrafaibles qui promet pour les pronostics médicaux
Si vous avez déjà visité un aquarium, sans doute avez-vous observé des créatures marines luire dans le noir. Ce phénomène, appelé bioluminescence, résulte des réactions chimiques que certains organismes utilisent pour se défendre ou attirer leurs proies.
Cependant, il existe une autre sorte de luminescence qu'émettent tous les êtres vivants, aussi bien les plantes que les animaux ou l'être humain : l'« émission de biophotons ultrafaibles ». Ces éclairs de lumière que projette naturellement l'organisme sont si infimes qu'il est impossible de les déceler à l'œil nu. Bien que l'on n'en ait pas encore élucidé la fonction, les scientifiques ont rattaché ces émissions à des processus biologiques comme le métabolisme cellulaire et la communication entre cellules.
« La lumière est si intimement liée à la vie qu'une simple modification de son intensité ou de sa place dans le spectre pourrait indiquer une perturbation du métabolisme ou des signaux intercellulaires. Il pourrait donc s'agir d'un signe précoce de la maladie », déclare Maria Moreno (Ph. D.), directrice intérimaire de la R-D au sein du groupe des biosciences translationnelles, au Centre de recherche en thérapeutique en santé humaine du Conseil national de recherches Canada (CNRC).
Malheureusement, les signaux que libèrent les biophotons sont si faibles qu'il faut un matériel ultraspécialisé pour les détecter, défi colossal pour les scientifiques qui s'efforcent d'en préciser l'origine et leur fonction dans les systèmes biologiques.
Développement d'une instrumentation pionnière de détection biophotonique
Dans l'espoir de surmonter ce défi technologique, Maria Moreno et Umar Iqbal (Ph. D), du même centre de recherche, se sont associés à Photon etc. , une entreprise canadienne d'imagerie, afin de mettre au point un système de la prochaine génération qui nous permettra de visualiser les biophotons. L'appareil, d'une extrême sensibilité et le premier du genre au monde, a été spécifiquement conçu pour répondre aux besoins des études in vivo sur les rongeurs. La technologie sur laquelle il repose est désormais disponible dans le commerce.
Grâce au nouvel instrument, les scientifiques ont confirmé que la souris vivante émet bel et bien de la lumière. En d'autres termes, elle luit! Découverte encore plus intrigante, cette lumière ne s'éteint pas instantanément après la mort. Bien qu'elle s'atténue après le décès de l'animal, quelques organes comme l'encéphale, les yeux et le foie continuent de luire faiblement jusque pendant une heure, signe que l'activité des biophotons ultrafaibles se poursuit un certain temps après la mort et que des organes cessent leur activité plus lentement que d'autres.
« Ces résultats prouvent pour la première fois hors de tout doute que les mammifères émettent naturellement de la lumière et que celle-ci peut même être mesurée après la mort », poursuit Mme Moreno. « Nous disposons donc d'un nouveau moyen pour étudier le déclin des processus biologiques, ce qui pourrait nous aider à mieux comprendre comment la vie prend fin au niveau cellulaire. »
Dans l'article « Imaging Ultraweak Photon Emission from Living and Dead Mice and from Plants under Stress » (imagerie des émissions de photons ultrafaibles chez la souris vivante et morte et chez les plantes soumises à un stress) qu'ils ont publié récemment, Daniel Oblak (Ph. D), l'auteur principal, qui enseigne à l'Institut des sciences et des technologies quantiques de l'Université de Calgary, et ses collègues, expliquent avoir constaté que les feuilles des plantes libèrent passablement plus de biophotons ultrafaibles là où elles subissent un stress. Dans l'expérience à l'origine de cette découverte, les scientifiques avaient pratiqué une petite incision à la surface des feuilles.
« Ce résultat laisse croire que l'on pourrait utiliser l'émission de photons ultrafaibles pour déterminer si un tissu est endommagé ou en bon état », explique M. Oblak.
Un avenir plus lumineux
Selon Mme Moreno, il y a encore beaucoup à faire avant d'obtenir de nouvelles méthodes plus précises d'imagerie.
« Pour exploiter tout le potentiel des biophotons ultrafaibles, l'instrumentation devra technologiquement progresser davantage, explique-t-elle. Obtenir des données utiles au diagnostic, soit d'une précision et d'une résolution temporelles supérieures, nécessitera la création d'appareils et d'outils d'analyse plus évolués. »
Voilà pourquoi, Joe Tauskela (Ph. D.), agent de recherches au Centre de recherche en thérapeutique en santé humaine, et Duncan England (Ph. D.), agent de recherches principal au Centre de recherche en quantique et en nanotechnologies, ont uni leurs forces pour concevoir un 2e système capable d'imager les biophotons émis directement par les amas de cellules cérébrales pour en préciser l'origine véritable.
Les scientifiques souhaitent ardemment établir si la lumière constitue ou pas un 3e moyen de communication entre les neurones, en sus de ceux, déjà fort connus, que sont les signaux électriques et chimiques.
À mesure qu'on la perfectionne, l'imagerie des biophotons pourrait devenir une méthode permettant de dépister hâtivement les symptômes de la maladie, et d'en suivre l'évolution de même que l'efficacité des traitements, sans qu'on doive recourir à des procédures plus invasives.
« Pour l'instant, nos travaux se concentrent sur 2 aspects », reprend Mme Moreno. « Tout d'abord, nous aimerions savoir si les émissions spontanées de lumière constituent un signe précoce de la maladie, notamment le cancer. Ensuite, nous voudrions éclaircir leur rôle éventuel dans l'activité neuronale. »
Songeant aux implications de ces recherches, M. England ajoute :
« les résultats de notre étude et d'autres du même genre ont de quoi nous fasciner. Tous les tissus vivants émettent naturellement une faible luminosité. S'agit-il d'un simple produit du métabolisme ou cette lumière joue-t-elle un rôle plus profond en biologie? Pourrait-on s'en servir comme diagnostic clinique? Voilà le type de question qui continuera d'alimenter l'exploration scientifique au cours des années qui viennent. »
Miser sur la collaboration
Ce projet de collaboration scientifique de 3 ans a débouché sur des résultats prometteurs et a permis à l'Université de Calgary de se doter d'un système de pointe en imagerie. Les recherches et l'équipement ont été financés dans le cadre du programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » (PCQ). Des fonds supplémentaires, du programme Solutions innovatrices Canada, ont contribué au développement du tout premier système d'imagerie des biophotons pour les rongeurs, dont on a commercialisé la technologie.
« Le projet d'imagerie des biophotons illustre à merveille comment le CNRC et ses collaborateurs du milieu universitaire et de l'industrie peuvent se prêter main-forte pour engendrer une nouvelle génération de techniques quantiques », conclut Marina Gertsvolf (Ph. D.), directrice du PCQ. « Cette découverte découle de l'application d'une technologie inédite à l'étude de propriétés naturelles qui nous échappaient jusqu'à présent. »
Le projet renforce aussi les 3 axes de la Stratégie quantique nationale du Canada en soutenant la recherche, en contribuant à l'acquisition de compétences et en transformant les résultats scientifiques en produits et services commerciaux adaptables dont bénéficieront la population et l'industrie, au Canada et partout ailleurs dans le monde.
Le projet a également profité des subventions et des contributions du Programme de collaboration en sciences, en technologie et en innovation qu'administre le Bureau national des programmes du CNRC. Pour en savoir plus sur ce domaine de recherche, écrivez à l'équipe du PCQ à NRC.QuantumSensors-CapteursQuantiques.CNRC@nrc-cnrc.gc.ca
« La lumière est si intimement liée à la vie qu'une simple modification de son intensité ou de sa place dans le spectre pourrait indiquer une perturbation du métabolisme ou des signaux intercellulaires. Il pourrait donc s'agir d'un signe précoce de la maladie », déclare Maria Moreno (Ph. D.), directrice intérimaire de la R-D au sein du groupe des biosciences translationnelles, au Centre de recherche en thérapeutique en santé humaine
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