Une nouvelle façon d’imager des organismes entiers en 3D met en évidence les principaux pigments de la couleur de la peau

La mélanine est visualisée dans un poisson zèbre de 5 jours coloré à l’argent en utilisant l’histotomographie aux rayons X. Les différentes couleurs ont été attribuées en fonction de la profondeur de la mélanine dans les cellules de l’échantillon de haut en bas.

Image: Keith Cheng Lab, Penn State College of Medicine

HERSHEY, Pennsylvanie – Pour comprendre les fondements biologiques de la pigmentation de la peau et des cheveux et des maladies associées telles que l’albinisme ou le mélanome, les scientifiques et les médecins ont besoin d’informations quantitatives et tridimensionnelles sur l’architecture, le contenu et l’emplacement des cellules pigmentaires. Les chercheurs du Penn State College of Medicine ont développé une nouvelle technique qui permet aux scientifiques de visualiser chaque cellule contenant du pigment mélanique en 3D, dans un poisson zèbre entier.

L’étude de la mélanine est difficile car elle bloque la lumière utilisée en microscopie traditionnelle. Les chercheurs se sont donc tournés vers l’imagerie par rayons X, qui peut traverser une matière optiquement opaque comme la mélanine.

En 2019, une équipe dirigée par le Dr Keith Cheng, professeur distingué de pathologie, de pharmacologie, de biochimie et de biologie moléculaire, a développé « l’histotomographie aux rayons X » – une forme cellulaire d’imagerie CT, comme méthode d’étude de l’architecture 3D des cellules et tissus dans des échantillons biologiques avec une résolution et une clarté sans précédent. Spencer Katz, un étudiant du programme de formation des scientifiques médicaux MD/PhD de l’équipe de Cheng, a modifié cette technique de micro-CT pour étudier spécifiquement la mélanine, un pigment que les scientifiques étudient dans la recherche sur la couleur de la peau humaine et le mélanome, chez le poisson zèbre entier.

La mélanine est un pigment brun à noir qui donne au poisson zèbre ses rayures caractéristiques et la peau, les cheveux et les yeux foncés des humains. Il y a plus de 15 ans, Cheng et son laboratoire ont découvert un gène clé dans l’évolution de la couleur claire de la peau chez l’homme en étudiant une lignée de poisson zèbre mutante particulière, dorée, qui a des rayures plus claires. Cette découverte a démontré la pertinence des modèles de poisson zèbre pour étudier des questions critiques sur la biologie humaine et les maladies, y compris l’albinisme et le mélanome.

Le micro-CT, comme le CT humain, utilise une série de rayons X pris à des angles légèrement différents pour calculer ou reconstruire des représentations 3D de l’objet d’origine. Pour le micro-CT, les échantillons sont plus petits et la résolution développée par l’équipe de Cheng est 2000 fois plus élevée. Katz a utilisé de l’argent pour colorer la mélanine, ce qui a permis aux chercheurs de déterminer l’emplacement 3D et la densité de la mélanine à partir de scans de poisson zèbre entier.

Pour effectuer l’imagerie, le laboratoire Cheng s’est associé à Dilworth Parkinson à la source lumineuse avancée des laboratoires nationaux Lawrence Berkeley à Berkeley, en Californie, qui abrite l’une des sources de rayons X synchrotron les plus puissantes d’Amérique, où il dirige une ressource micro-CT adaptée pour l’histotomographie aux rayons X de Cheng. Le nouveau système de détection à rayons X du laboratoire a été conçu pour atteindre des résolutions sans précédent pour des échantillons de la taille d’un poisson zèbre entier ou de biopsies humaines. L’équipe a scanné le poisson zèbre avec une pigmentation normale et altérée, y compris dorée.

Les chercheurs ont pu visualiser chaque cellule contenant de la mélanine, appelée mélanocytes, chez le poisson, et cartographier chacune de leurs positions en 3D. De plus, ils pourraient obtenir des mesures quantitatives de leur teneur en mélanine, permettant pour la première fois une comparaison directe de la teneur en mélanine entre des poissons normaux et mutants. Ils ont publié les résultats de leur étude dans eLife.

Ce travail a jeté les bases d’autres recherches sur les cancers contenant de la mélanine, ou mélanomes, qui sont généralement classés par la profondeur de l’invasion des cellules tumorales. Selon Cheng, chercheur au Penn State Cancer Institute, un certain nombre de modèles de mélanome chez le poisson zèbre existent et peuvent être étudiés à l’aide de la nouvelle technique. Katz et Cheng ont déclaré que les mélanomes humains peuvent être colorés à l’argent et imagés de la même manière pour caractériser plus complètement les cellules tumorales et leurs dispositions dans les tumeurs. Ils prédisent que les scientifiques seront capables, par exemple, de compter le nombre de cellules tumorales de caractéristiques différentes et d’étudier de manière plus définitive l’invasion, une caractéristique centrale du cancer, aidant les médecins à prendre des décisions pronostiques et thérapeutiques.

À l’avenir, le Cheng Lab continuera à développer de nouvelles méthodes de coloration et optiques pour étendre les applications de l’histotomographie. Cette étude représente une preuve de principe de la façon dont l’analyse informatique 3D du corps entier des organismes et des tissus peut être réalisée à l’aide de la micro-CT qui peut permettre une compréhension beaucoup plus complète de la fonction des gènes.

Maksim Yakovlev, Daniel Vanselow, Yifu Ding, Alex Lin, Victor Canfield et Khai Chung Ang du Penn State College of Medicine ont également contribué à cette recherche. Le nouveau système de lentilles utilisé dans l’étude a été conçu et construit par Yuxin Wang de Mobile Imaging Innovations Inc. Les auteurs n’ont déclaré aucun intérêt concurrent.

Cette recherche a été soutenue par les National Institutes of Health, le Pennsylvania Department of Health Tobacco CURE Funds, les Jake Gittlen Laboratories for Cancer Research du Penn State College of Medicine, les Penn State Huck Institutes of the Life Sciences et le Penn State Institute for Computational and Data. Les sciences.

Cette étude a utilisé le noyau de génomique fonctionnelle du poisson zèbre du College of Medicine et représente les activités du Penn State Center for Artificial Intelligence Foundations and Scientific Applications et les initiatives de phénomique computationnelle.

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