SINAPSE — Nanoémetteurs de carbure de silicium et exaltation optique pour l'analyse de transport intracellulaire dans les réseaux 3D de neurones

SINAPSE est un projet interdisciplinaire aux interfaces de la physique, de la chimie et de la neurobiologie. L'objectif principal du projet est le développement d'une nouvelle classe de nanoparticules (NP) avec des réponses optiques linéaire et non linéaire efficaces dans le domaine spectral du proche infrarouge (NIR), pour des applications de bio-imagerie. Plus spécifiquement, ces nano-marqueurs seront optimisés pour permettre la mesure des paramètres de transport intracellulaire dans les axones et les dendrites au sein d’un réseau neuronal 3D. La quantification précise du transport intraneuronal peut en effet révéler l'impact fonctionnel de facteurs de risque génétiques de maladie neuropsychiatrique ou neurodégénérative, comme nous l'avons déjà démontré dans des cultures 2D. Dans ce but, les NPs optiquement actives sont spontanément internalisées par les neurones dans des vésicules endosomales, qui sont ensuite transportées par des moteurs moléculaires le long du cytosquelette. Le mouvement de translation et de rotation des NPs sera déduit de deux signaux optiques complémentaires provenant de la même particule individuelle : la fluorescence dans la fenêtre NIR et la génération second harmonique (SHG), tous deux excités par le même laser de pompe infrarouge. La gamme spectrale NIR (excitation et fluorescence) est parfaitement adaptée à la fenêtre de transparence des systèmes biologiques, ce qui est d'une importance cruciale pour l'imagerie en profondeur dans les tissus cérébraux. Nous proposons d'étudier pour la première fois la réponse optique bimodale qui provient de l'excitation NIR de nanocristaux de carbure de silicium (nanoSiC). Par rapport à l'état actuel des traceurs optiques utilisés en biologie, le nanoSiC présente l'avantage de permettre l'émission dans deux modes : la SHG générée par la matrice hôte et la fluorescence NIR provenant de défauts de ponctuels dans le cristal, générés par irradiation avec un faisceau de protons suivi d’un recuit thermique. Une autre tâche clé du projet SINAPSE sera d'améliorer ces deux signaux en tirant parti de nanoantennes métalliques (plasmoniques) associées au nanoSiC, afin d'obtenir le meilleur rapport signal/bruit. Les deux processus complémentaires d'émission de lumière au niveau de la particule unique seront finalement utilisés pour analyser les caractéristiques fines de la dynamique du mouvement vésiculaire dans des neurones de réseaux 3D, à haute résolution spatio-temporelle et à une profondeur allant jusqu’à 100 µm. SINAPSE regroupe 4 partenaires complémentaires (Laboratoire Aimé Cotton, CEA-SPEC, Laboratoire Charles Fabry, Laboratoire de Physique et d'études des matériaux) qui ont obtenu des résultats préliminaires prometteurs. En pratique, le projet se déroulera selon trois tâches principales correspondant aux trois axes logiques du projet : - Production et caractérisation des nanoparticules optiquement actives bimodales. - Amélioration de leurs propriétés optiques grâce à l'utilisation de nanoantennes plasmoniques. - Mesure de la dynamique de translation et d'orientation des nanoparticules dans les neurones. Notre consortium réunit une gamme unique d'expertise en nanochimie, en optique non linéaire, en science des nanomatériaux, en bio-imagerie avec des nanoparticules et en génétique moléculaire appliquée aux maladies neuropsychiatriques/dégénératives, nécessaires pour atteindre les objectifs ambitieux du projet. Le projet vise aussi le défi d'une meilleure compréhension des mécanismes neuropsychiatriques/maladies dégénératives. Il pourrait donc avoir un impact significatif sur la santé, à long terme, compte tenu de la forte prévalence de ces maladies dans le monde et de la connaissance limitée des processus clés qui conduisent à l'apparition des premiers symptômes. Il est essentiel de comprendre ces processus pour mettre au point des traitements capables d'arrêter le développement de la maladie au stade pré-symptomatique.