Cryomicroscopie électronique : une technologie futuriste de recherche sur le cancer

Environ 20 millions de personnes reçoivent un nouveau diagnostic de cancer chaque année et près de 10 millions de personnes en décèdent. Alors que les protéines défectueuses sont la principale cause de tumeurs malignes qui perturbent l'homéostasie cellulaire, la relation entre les anomalies génétiques et le cancer est bien reconnue dans le domaine de la recherche sur le cancer. Jusqu’à présent, la prévention du cancer s’est concentrée sur la réduction des conséquences négatives des altérations génétiques. Cependant, il existe une tendance croissante à la chimioprévention visant à modifier les protéines codées par ces gènes endommagés. Par exemple, la protéine BRCA1 aide à réparer les dommages à l’ADN, qui jouent un rôle dans la suppression des tumeurs. Les individus BRCA1 moins fonctionnels développent une instabilité génétique accrue, ce qui augmente le risque d’induction d’un cancer.

L'analyse de particules uniques et la cryo-tomographie sont deux exemples de la famille de méthodes de microscopie cryoélectronique (cryo-EM) utilisées pour générer des données structurelles à haute résolution pour les systèmes biologiques. En cryo-EM, les solutions d'échantillons sont rapidement congelées afin de préserver la structure naturelle des échantillons et d'empêcher la formation de glace cristalline. Cela provoque une suspension de protéines individuelles orientées selon différents angles aléatoires dans la glace, ce qui est observé dans l'analyse d'une seule particule. Les protéines sont ensuite visualisées à l’aide d’un microscope électronique à cryotransmission (cryo-TEM), créant des centaines de projections 2D de l’échantillon. La combinaison de ces projections peut ensuite créer un modèle 3D haute résolution de la protéine. La résolution atomique est concevable et devient de plus en plus disponible avec les détecteurs d’électrons et les outils analytiques contemporains.

En combinant cryo-EM et reconstruction 3D, un certain nombre d’avancées significatives en biologie structurale ont été réalisées au cours des dernières années. Les progrès matériels et logiciels ont été un facteur majeur dans le développement de la cryo-EM. Le dispositif d'enregistrement d'images et le microscope électronique sont des exemples de matériel ; Les techniques de reconstruction 3D et de traitement des données d'images sont des exemples du logiciel.

Data Bridge Market Research analyse le taux de croissance du marché mondial de la cryomicroscopie électronique au cours de la période de prévision 2022-2029. Le TCAC attendu du marché mondial de la cryomicroscopie électronique a tendance à se situer autour de 8,67 % au cours de la période de prévision mentionnée. Le marché était évalué à 725,43 millions de dollars en 2021 et atteindrait 1 410,82 millions de dollars d’ici 2029. Le marché mondial de la microscopie cryoélectronique est segmenté en fonction du type, du type de produit, du composant et de l’application.

Pour en savoir plus sur l’étude, visitez : https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-cryo-electron-microscopy-market

Le concept en bref

Il est de plus en plus courant d'utiliser la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) pour examiner l'architecture moléculaire des assemblages de protéines, des virus et des organismes. Cette page se concentre sur plusieurs aspects de la cryo-EM, notamment ses avantages et ses inconvénients, ses applications, ses différences avec les techniques EM et les études récentes utilisant la technologie cryo-EM. Le terme « cryo-EM » fait référence à un type d'imagerie électromagnétique (EM) dans lequel des échantillons sensibles aux rayonnements sont imagés à l'aide d'un microscope électronique à transmission (TEM) dans des paramètres cryogéniques. Le terme « cryo-EM » est fréquemment utilisé pour désigner plusieurs techniques expérimentales, notamment la cryo-tomographie électronique, la cristallographie électronique et la cryo-EM à particule unique.

Chaque technique cryo-EM peut être utilisée indépendamment ou dans le cadre d'approches hybrides combinant des données cryo-EM avec des données complémentaires provenant d'approches de spectroscopie de cristallographie aux rayons X et de résonance magnétique nucléaire (RMN). Pour l'imagerie d'échantillons biologiques, notamment de bactéries, de cellules congelées et de coupes de tissus entiers, les cryo-EM sont de plus en plus largement disponibles et considérablement plus simples à utiliser.

Les chercheurs utilisent actuellement Cryo-EM pour faciliter leurs travaux sur le cancer, faisant ainsi progresser la discipline de « l'oncologie structurale », qui vise à utiliser la biologie structurale pour combattre le cancer. Les capacités analytiques de la cryo-haute résolution EM sont sur le point de transformer la façon dont les scientifiques étudient l'oncologie en permettant une observation, une analyse et, à terme, un traitement ciblés.

EM et Cryo-EM

La coloration, la déshydratation et la fixation chimique des échantillons sont utilisées dans les procédures EM traditionnelles pour produire l'image. En EM, l’interaction de la matière organique et des électrons nuit gravement aux spécimens biologiques. En revanche, puisque la cryo-EM ne nécessite pas de techniques d’imagerie supplémentaires, elle préserve l’état hydraté d’origine des spécimens. L'irradiation électronique brise les liaisons chimiques des échantillons, entraînant la production de radicaux libres qui endommagent davantage les échantillons. De faibles doses d'électrons produisent des images bruitées même si elles peuvent aider à conserver les spécimens en réduisant les dommages causés par les radiations.

Cryo-EM peut résoudre ce problème efficacement car il utilise des échantillons congelés conservés à des températures d'hélium liquide ou d'azote liquide pour l'imagerie, ce qui réduit les effets néfastes de l'irradiation électronique sur les échantillons. Les échantillons biologiques sont photographiés à des températures d’hélium liquide ou d’azote liquide après avoir été rapidement vitrifiés dans une couche de glace ressemblant à du verre. Les dommages causés par les radiations sont considérablement réduits à la température de l'azote, ce qui permet d'utiliser une dose d'électrons plus importante pour produire des images avec un bon rapport signal/bruit. Grâce à la technique cryo-EM, il est possible d'obtenir des reconstructions tridimensionnelles (3D) d'échantillons à un niveau quasi moléculaire dans l'azote liquide et l'hélium. Mais comment fonctionne la cryo-EM ?

• Gelé- Une grille est recouverte de l'échantillon, qui est ensuite congelé dans de l'éthane liquide et conservé dans de l'azote liquide. Il doit geler suffisamment rapidement pour empêcher l’eau présente de former des cristaux de glace. Les réseaux de glace sont susceptibles de causer des dommages structurels au matériau, en absorbant le faisceau d'électrons et en obscurcissant l'image. L'eau se solidifie sous forme de solide amorphe (glace vitreuse) et ne cristallise pas si l'échantillon est congelé suffisamment rapidement.

• Enregistrement- Sur la base des interactions de la substance avec un faisceau d'électrons, des images de nombreuses copies de la molécule (ou d'autres matériaux, tels que des virus) suspendues dans des orientations aléatoires dans de la glace vitrifiée sont capturées. Les images obtenues avec des « détecteurs d'électrons directs » plus récents sont de meilleure qualité que celles prises avec les appareils photo numériques précédents.

• Traitement de l'information- La structure de l'échantillon est déterminée en fusionnant les nombreuses perspectives moléculaires dans un modèle 3D. Parfois, la moyenne de dizaines de milliers, voire de centaines de milliers d’images de particules, constitue l’image finale, ou carte de densité. Des centaines de milliers d'images par seconde sont capturées pour suivre le mouvement des particules et éviter toute perte de résolution.

Les premières applications cryo-EM étaient limitées par la nécessité d’utiliser des faisceaux d’électrons de faible puissance pour préserver l’échantillon, ce qui aboutissait à des images à faible résolution. Des images haute résolution peuvent désormais être créées avec moins d’électrons grâce aux progrès réalisés dans la technologie des détecteurs d’électrons directs. Le détecteur d’électrons direct est une caméra capable de capturer rapidement des photos d’une seule molécule à des dizaines d’images par seconde grâce à sa capacité améliorée à détecter les électrons. La création de meilleures techniques de traitement d’images a également facilité la révolution de la cryo-EM. De tels algorithmes sont nécessaires pour déterminer l’orientation de l’image et aligner les images afin de disposer de méthodes permettant de reconstruire une image tridimensionnelle à partir d’images bidimensionnelles. L'amélioration technologique a abaissé la taille limite des échantillons pouvant être congelés, permettant ainsi à des protéines individuelles d'être analysées après imagerie.

Avantages de la technologie Cryo-EM

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et la cristallographie aux rayons X étaient des méthodes antérieures de biologie structurale. En raison de l’exigence de tailles d’échantillon élevées, ces approches n’ont eu qu’une applicabilité limitée. Afin de réaliser une cristallographie aux rayons X, les échantillons doivent être cristallisés, une procédure difficile qui modifie l'environnement en un environnement non physiologique.

Cryo-EM est bien adapté à l’imagerie de structures à une résolution presque atomique car il ne nécessite pas de grandes quantités d’échantillons ni de cristallisation. L’approche permet également d’analyser le spécimen dans son environnement physiologique naturel car elle ne le fixe ni ne le tache chimiquement. De plus, les structures peuvent être congelées instantanément dans diverses conformations pour permettre l'inférence de systèmes biologiques sans la restriction des cristaux gelant l'échantillon dans une pose statique.

Le fait que la molécule d’intérêt n’ait pas besoin d’être cristallisée constitue un avantage significatif de la cryo-EM par rapport à la cristallographie aux rayons X. Certaines protéines ou macromolécules importantes ne peuvent tout simplement pas être cristallisées ; d'autres voient leur structure altérée de manière irréversible à la suite de la cristallisation. Contrairement à la cristallographie aux rayons X, qui ne peut déterminer qu’une seule structure, les protéines peuvent être observées dans toutes leurs conformations.

Les échantillons cryo-EM, contrairement à la microscopie électronique conventionnelle, ne sont ni déshydratés ni colorés, de sorte que leur structure reste proche de la forme réelle de la structure hydratée dans leur environnement d'origine, sans fausses formes créées par la coloration. La congélation des échantillons réduit l’ampleur des dommages causés par les radiations pouvant résulter de l’irradiation électronique. Les échantillons congelés sont également moins susceptibles d'être endommagés par les conditions de basse pression/vide du microscope électronique.

Inconvénients de la technologie Cryo-EM

Les images ont souvent un rapport signal/bruit très faible en raison d’un manque de taches et donc d’un manque de contraste, ce qui nécessite un matériel de détection et un traitement d’image très avancés.

La préparation des échantillons peut être difficile, car elle est nécessaire pour optimiser l’épaisseur de la glace et la répartition des particules. Les protéines peuvent parfois adopter des orientations privilégiées, rendant impossible la reconstruction 3D.

L’équipement cryo-EM le plus avancé reste d’un coût prohibitif. La création d'installations centralisées peut contribuer à accroître l'accès aux équipements cryo-EM. Cryo-EM, en revanche, est inefficace pour l’imagerie de très petites protéines et prend beaucoup de temps pour générer des images d’échantillons. De plus, la technique nécessite une très grande homogénéité des échantillons, ce qui complique l’obtention d’images haute résolution de protéines flexibles. De plus, la résolution actuelle de la cryo-EM est insuffisante pour la R&D pharmaceutique car les images obtenues par cette technique ont dans certains cas un faible rapport signal/bruit.

Applications récentes de la technologie Cryo-EM

La microscopie cryoélectronique, ou cryo-EM, étudie des échantillons congelés à des températures cryogéniques à l'aide d'électrons. C’est devenu la technique de prédilection pour étudier la disposition structurelle des échantillons biologiques au cours des cinq dernières années, atteignant parfois une résolution proche de l’atome.

Selon un article paru dans Nature l'année dernière, les microscopes cryoélectroniques « ont fait trembler le domaine de la biologie structurale au cours des trois dernières années, ils ont révélé des détails exquis sur les ribosomes producteurs de protéines, les protéines membranaires tremblantes et d'autres molécules cellulaires clés, des découvertes que les principales revues publient à un rythme rapide".

La cryo-EM a gagné en popularité au point que seuls des échantillons spécifiques, tels que des virus et des ribosomes, sont parfois photographiés par cristallographie aux rayons X. L’imagerie Cryo-EM fournit désormais une imagerie à résolution atomique des changements structurels dans la protéine p97. La structure et les interactions de cette protéine étant essentielles à l’activité des cellules cancéreuses, elle constitue une cible importante pour le développement de médicaments anticancéreux.

Le type de sites de liaison et de contact de l'inhibiteur p97 a été observé à l'aide des capacités d'imagerie de Cryo-advanced EM. Des résolutions de 2,3 ngströms ont été obtenues dans cette étude, l’unité ngström étant égale à 0,1 nanomètre. Grâce aux progrès actuels de la technologie des détecteurs et de la préparation des échantillons, la cryo-EM peut potentiellement améliorer la résolution.

Data Bridge Market Research analyse que le marché du diagnostic du cancer devrait atteindre la valeur de 28,21 milliards USD d’ici 2029, avec un TCAC de 7,29 % au cours de la période de prévision. L’augmentation des cas de cancer offre des opportunités de croissance au marché. Les progrès technologiques croissants sont le facteur essentiel de l’accélération de la croissance du marché, augmentant également les initiatives entreprises par les gouvernements et les organisations mondiales de santé pour sensibiliser au cancer, la croissance croissante du nombre de centres de diagnostic privés, la multiplication des partenariats public-privé pour améliorer l’infrastructure de l’imagerie diagnostique. centres, le soutien croissant de la FDA pour le développement de biomarqueurs et le lancement croissant de nouveaux réactifs de cytométrie en flux pour le diagnostic et la découverte de médicaments sont les principaux facteurs, entre autres, qui animent le marché du diagnostic du cancer.

Pour en savoir plus sur l’étude, visitez : https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-cancer-diagnostics-market