Il y a un intérêt grandissant dans les domaines de la biologie cellulaire et de la pharmacologie pour la détection fiable d’interactions cellule-cellule et d’activités résultantes de l’interaction cellulaire avec l’environnement physique et biochimique. Les techniques de détection sans marquage, telles que celles basées sur la résonance plasmonique de surface, les réseaux de diffraction ou la spectroscopie d’impédance électrique, sont désormais utilisées de façon routinière. Celles-ci permettent de mesurer, entre autres, les signaux cellulaires sous-jacents et l’activité fonctionnelle des cellules exposées à des hormones, des agents pharmacologiques ou encore, des toxines.
Lors de ces tests, le signal mesuré est issu de plusieurs cellules. Il est généralement supposé que le profil de réponse cellulaire est homogène parmi la population de cellules testées. Or, de plus en plus de publications tendent à mettre en évidence un haut niveau d’hétérogénéité au sein d’une population de cellules. Bien que pourvues d’une grande sensibilité, les techniques précédemment mentionnées ont des lacunes en termes de résolution spatiale et de profondeur de sondage, ce qui rend impossible la détection d’activité cellulaire individuelle. Le niveau de complexité augmente lorsque l’on considère que les profils de réponses cellulaires résultent d’un amalgame de divers événements de signalisation cellulaire individuels, ce qui rend difficile l’extraction de la contribution d’une composante précise du signal global mesuré.
Dans cette thèse, une plate-forme d’imagerie a été développée en combinant deux méthodes, l’une sans et l’autre avec marquage. Ces méthodes sont respectivement les guides d’ondes à gaine métallique (MCWG, metal clad waveguide) et la fluorescence exaltée en surface (SEF, surface enhanced fluorescence). L’objectif est de simultanément visualiser et quantifier les signalisations et activités fonctionnelles des cellules individuelles. Des simulations numériques sont présentées qui illustrent les performances attendues du système. Le système a été testé expérimentalement sur une combinaison d’échantillons synthétiques bien définis et de nombreuses cellules vivantes génériques, de nature variée. Nous avons montré que la plateforme MCWG proposée peut atteindre une grande profondeur de mesure (>600 nm) tout en maintenant une bonne résolution latérale (5 μm), permettant ainsi l’observation de cellules individuelles. Contrairement à l’imagerie MCWG, le signal obtenu en SEF ne dépend pas d’un mode de propagation et sa résolution est limitée seulement par la diffraction.
Il a été possible de montrer le caractère hétérogène d’une petite population de cellules en mesurant, sans employer de marqueur, les variations de signalisations et de la morphologie cellulaire. Le caractère unique de chaque cellule en lien avec son profil de réponse a été détecté et quantifié par la mesure de l’activité intracellulaire de cellules endothéliales en état d’apoptose induite. Dans une seconde série d’expériences, le système a été employé pour étudier les changements dans l’intégrité d’un film de cellules confluentes exposé à des stimuli biochimiques. L’utilisation du mode d’imagerie MCWG a permis d’illustrer le lien direct entre le signal mesuré et la formation d’interstices intercellulaires dans la monocouche de cellules.
Les avantages d’un système combiné exploitant des approches avec et sans marqueurs ont été montrés. Ceci a été réalisé par l’emploi de marqueurs fluorescents afin d’associer les variations dans les composantes moléculaires et structurelles des cellules au signal MCWG mesuré. Plus spécifiquement, le système d’imagerie a été utilisé dans le but de visualiser le cytosquelette de cellules musculaires lisses vasculaires. Finalement, la plateforme d’imagerie a été exploitée afin de mesurer l’activité des signaux médiés par les récepteurs. L’analyse simultanée du signal MCWG, lequel n’emploie pas de marqueur, et du signal calcique associé à l’activation du récepteur de l’angiotensine 1 a permis d’identifier certains éléments caractéristiques du signal obtenu sans marqueur. De plus, en utilisant des inhibiteurs pharmacologiques, il a été possible d’isoler certains chemins de signalisations dans l’activité cellulaire observée
