2/ Application dans le domaine médical et pharmaceutique

La bioluminescence est aussi utilisée dans le diagnostique médical où il est parfois nécessaire de connaître rapidement le taux de contamination de liquide physiologique. De même, le dosage de l'ATP, vu précédement, peut servir de témoin d'une activité physiologique (L'ATP intracellulaire des spermatozoïdes est le témoin direct de leur mobilité et de leur fertilité.) D'autres applications peuvent être envisagées comme le dosage des taux sériques ou le dosage d'antibiotiques. Mais d'autres applications de la bioluminescence dans ce domaine peuvent aussi être observées :

Alcoolisme et cirrhose

Détection de l'anémie hémolytique dans les maladies hépatiques par la baisse du taux d'ATP des globules rouges

Antigènes Détermination de la quantité d'antigènes
Bactériurie Détection des microorganisme dans l'urine: certains malades atteints d'infections urinaires présentent un taux de bactéries croissant dans les urines et également une concentration d'ATP croissante
Contrôles de stérilité Des contrôles sont obligatoires sur des préparations injectable type vaccins, à usage humain et vétérinaire
Cytolyse et tirage d'antisérum Utilisation de la perte d'ATP cellulaire comme mesure de l'activité cytologique d'anti-sérum
Dentition On peut détecter la biomasse vivante sur la plaque dentaire. Les carries dentaires résultent d'une interaction des micro-organismes de la plaque sur la surface de la dent avec les glucides qui fermentent (il est interessant d'identifier et de quantifier les composants bactériens)
Dermatologie Utilisation d'ATP et d'ADP cellulaire comme indicateur de la vitesse de renouvellement des cellules de la peau
Dystrophie musculaire Détermination de l'enzyme permettant le dépistage chez les nouveaux-nés
Immunologie Quantification des réactions immunologiques
Infarctus cardiaque Détermination des substrats et enzymes intervenant dans le dépistage
Lèpre Evaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments
Maladies hépatiques
On peut détecter ces maladies car le taux d'ATP baisse dans les hématies
Médicaments Evaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments
Métabolisme Evaluation de la vitesse métabolique
Viabilité Des érythrocytes, des vaccins et des spermatozoïdes (détermination très importante pour l'insémination artificielle, pour le contrôle de la qualité des spermatozoïdes congelés et la détermination de la stérilité ou de la fertilité)

 

Imagerie par bioluminescence (BLI) pour visualiser la progression tumorale et la métastase chez les petits animaux

La dissémination métastatique est la cause majeure de mortalité chez les sujets atteint de cancer. Il s'agit de la prolifération du cancer dont les principales étapes comprennent le détachement de cellules cancéreuses de la tumeur primaire, leur transport dans la circulation sanguine où elles interragissent avec les composants, puis leur adhérence à la paroi vasculaire de l'organe cible. Un cancer disséminé est résistant aux thérapies anti-cancéreuses actuelles car le processus métastatique est détecté tardivement.

Ainsi, l'imagerie directe de cellules vivantes est devenue un outil fondamental pour étudier des processus biologiques, permettant chez les petits animaux, de localiser précocement les tumeurs de petites tailles et les micrométastases, de mesurer la charge tumorale et d'évaluer in vivo l'efficacité de différents traitement anti-cancéreux ou thérapies géniques. L'imagerie par bioluminescence offre la possibilité d'un suivi spatio-temporel en temps réel de processus biologiques, directement au sein d'un organisme vivant (possibilité de visualiser et quantifier les réactions de bioluminescence).

Cette technique consiste à détecter par une caméra ultrasensible les photons émis in vivo (au sein du vivant) par des cellules transfectées par un gène codant pour la luciférase (exprimant la luciférase). Cette enzyme catalyse l'oxydation de la luciférine (préalablement injectée à l'animal) avec conversion de l'énergie chimique en émission lumineuse.
Cette méthode permet d'imager l'expression du gène de la luciférase in vivo et ainsi d'analyser la régulation d'un gène endogène, d'évaluer l'efficacité d'un protocole de thérapie génique ou de suivre la croissance et la migration (dissémination métastatique) de cellules cancéreuses exprimant la luciférase.
Différents modèles (cellules cancéreuses greffées sur des souris) sont actuellement utilisés pour suivre l'évolution des tumeurs in vivo au cours de traitements.

Cancérologie :

Détection par bioluminescence d'un ostéosarcome de souris induit à partir de cellules exprimant la luciférase.  Détection de la tumeur primitive en site osseux et des métastases en site pulmonaire.   imagerie par bioluminescence de rats après injection de cellules de cancer du sein
 

Figure 1  : Détection par bioluminescence d'un ostéosarcome de souris induit à partir de cellules exprimant la luciférase. Détection de la tumeur primitive en site osseux et des métastases en site pulmonaire.
Figure 2 
: Imagerie par bioluminescence (BLI) de rats après injection de cellules de cancer du sein.

Virologie :

Exemple : Visualisation du site primaire de réplication d’un rhabdovirus (infection) chez la truite vivante

Le virus vNHI-LUC possède une cassette d’expression additionnelle codant pour la luciférase sous le contrôle des séquences de régulation du virus vNHI. Cette cassette d’expression est insérée entre les gènes viraux M et G

Figure 3 : Le virus de la nécrose hématopoïétique infectieuse vNHI-LUC possède une cassette d’expression additionnelle codant pour la luciférase sous le contrôle des séquences de régulation du virus vNHI. Cette cassette d’expression est insérée entre les gènes viraux M et G.

Les poissons ont été infectés avec le virus vNHI-LUC par balnéation. Les symptômes de cette maladie se traduisent par des hémorragies généralisées et des nécroses. 4 jours post-infection, les poissons ont été transférés dans un bain contenant le substrat de la luciférase. Après anesthésie générale, ils sont soumis au système d’imagerie qui permet, grâce à une caméra très sensible, de capter la lumière émise par la réaction catalysée par la luciférase.
Un traitement d’image permettant de calibrer la quantité de lumière selon un gradient de couleur est utilisé (la lumière capturée par la caméra est due uniquement à la réaction catalysée par la luciférase apportée par le virus vNHI-LUC.)


.Evolution de l’infection des truites par le vNHI-LUC. Les poissons ont été infectés par balnéation, et aux temps indiqués (de 8 heures post-infection à 4 jours post-infection), les poissons sont soumis à l'imagerie par bioluminescence pour détecter les sites de réplication virale.

Figure 4  : Evolution de l’infection des truites par le vNHI-LUC aux temps indiqués (de 8 heures à 4 jours post-infection), les poissons sont soumis à l'imagerie par bioluminescence pour détecter les sites de réplication virale. La couleur rouge symbolisant le site de la plus forte réplication virale et la couleur bleue symbolisant le site de la plus faible émission de lumière et donc le site où la réplication virale est la plus faible Les résultats démontrent que la porte d’entrée du virus se situe au niveau des nageoires. Jusqu’à ce jour, la grande majorité des chercheurs du domaine privilégiaient les branchies comme site primaire de réplication virale

Imagerie cérébrale :

Une nouvelle technique d'imagerie neuronale fonctionelle en bioluminescence vient d'être développée, et permet de suivre l'activité neuronale, plus spécifiquement l'activité calcique, en temps réel, in-vivo, sur un petit groupe de neurones, ou sur l'ensemble du cerveau.

Très prometteuse, cette nouvelle technique  utilise un nouveau marqueur/traceur GFP-aequorin. C'est une protéine sensible au calcium, qui, en présence de son co-facteur, la coelentérazine, va émettre de la lumière (un photon), lorsqu'il y a changement de concentration calcique dans la cellule, par exemple, suite à l'activation du neurone. Ceci permet de suivre l'activité neuronale sur les neurones, voir même de tracer un réseau de neurones. De plus, cette approche, non toxique permet d'enregistrer l'activité neuronale sur des périodes de plusieurs heures. Il est ainsi possible de suivre l'activité du cerveau d'une  mouche "Drosophile" pendant 24 heures, voire 48 heures.

Elle permet ainsi de mettre en évidence des phénomènes physiologiques en relation avec l'activité calcique, notamment l'apprentissage et la mémoire. De plus, les outils génétiques puissants de la drosophile peuvent être mis à profit pour étudier et comparer ces cartes chez des mouches portant différentes mutations, ou encore chez des mouches servant de modèles pour diverses pathologies humaines, comme par exemple la maladie d'Alzheimer, Parkinson, Huntington ou encore pour une approche pharmacologique dans les phénomènes d'addiction aux différentes drogues (alcool, nicotine, cocaïne, etc.).


Malheureusement, l'utilisation de l'imagerie par bioluminescence a des limites. En effet, cette approche souffre d'une résolution anatomique relativement faible et d'une atténuation du signal par le tissu traversé.


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