Osselet aux rayons X: une nouvelle technique révèle ses structures en un temps record

Les matériaux biologiques sont des chefs-d’œuvre créés par la nature. Les os, par exemple, sont très durs, mais en même temps suffisamment élastiques pour ne pas céder et se casser à la moindre contrainte latérale. Cette combinaison de propriétés est due à leur structure hiérarchique de matériaux composites, autrement dit à une combinaison de matériaux présentant des structures différentes suivant les diverses échelles de grandeur. Les matériaux composites créés par l’être humain présentent eux aussi une composition similaire. Dans le béton armé, par exemple, la part de béton, composée de ciment et de sable, peut supporter une pression importante, alors que le treillis d’acier assure la résistance à la traction et la stabilité transversale. 

Jusqu’ici, pour obtenir une analyse détaillée de ces matériaux biologiques, on avait en règle générale besoin de plusieurs instruments, par exemple d’un microscope électronique ou d’un microscope optique classique. Des scientifiques au Centre des sciences photoniques du PSI viennent d’affiner une méthode de diffraction des rayons X pour qu’elle permette de caractériser simultanément des matériaux de l’échelle nanométrique jusqu’à l’échelle millimétrique, et ce nettement plus rapidement qu’avant. Pour obtenir une image complète, il fallait jusque-là environ une journée. A présent, cela ne prend plus qu’une heure environ.

Pour démontrer la performance de leur méthode, les scientifiques ont utilisé la Source de Lumière Suisse SLS et visualisé l’orientation des fibres de collagène dans un osselet de l’oreille humaine, appelé enclume. Les fibres de collagène sont composées de chaînes de protéine qui assurent en même temps la résistance à la traction et l’élasticité. «Nous avons réussi à franchir le pas entre la méthode scientifique et la pratique», explique Christian Appel, postdoctorant et premier auteur de l’étude. Les résultats sont maintenant à la Une de la revue spécialisée Small Methods. A l’avenir, ils pourraient notamment rendre de précieux service dans l’étude des tissus complexes, l’analyse des maladies osseuses ou l’optimisation de la conception d’implants.

Résolution spatiale par balayage 

D’un côté, les faisceaux de rayons X peuvent être utilisés pour la radiographie classique, comme à l’hôpital. Ce qui n’est pas absorbé par les tissus passe de l’autre côté et y est visible à l’image sous forme d’ombre. D’un autre côté, comme à la SLS, les rayons X permettent également de visualiser des structures cristallines à l’échelle nanométrique en tirant parti du phénomène de l’interférence. 

Lors de l’interférence, il y a superposition des ondes électromagnétiques des rayons X qui sont diffusées par les couches d’atomes ordonnées régulièrement dans le cristal. Suivant la direction de diffusion, elles parcourent des distances variables jusqu’au détecteur de rayons X où elles sont enregistrées. Elles l’atteignent donc avec des phases d’oscillation différentes, autrement dit légèrement décalées en termes de propagation. Ce faisant, elles peuvent soit se renforcer, soit s’éliminer réciproquement. Le motif d’interférence ainsi obtenu permet ensuite de calculer la structure cristalline et son orientation dans l’espace. 

Les plus fines fibrilles de collagène dans l’os ne sont visibles qu’à l’échelle nanométrique, alors que les structures tissulaires plus grossières sont identifiables de l’échelle micrométrique à l’échelle millimétrique. Pour pouvoir représenter simultanément les deux échelles, des scientifiques emmenés par Marianne Liebi au PSI avaient élaboré il y a dix ans une technique spéciale baptisée tomographie par tenseur. Elle consiste à faire pivoter progressivement et précisément l’échantillon à analyser autour de deux axes. Un faisceau de rayons X d’environ 20 micromètres seulement produit à chaque étape un schéma d’interférence qui est capté par une caméra. «Avec ce balayage, on enregistre peu à peu les informations sur les propriétés cristallines locales», poursuit Marianne Liebi, également première auteure de la nouvelle étude.

Ensuite, à partir de millions d’images d’interférence, un programme informatique calcule une image en 3D de l’ensemble de l’échantillon. Cette image est appelée tomogramme. Au début, le tout prenait jusqu’à une journée, ce qui rendait la méthode presque impraticable dans le contexte de la recherche biomédical moderne, où l’on a besoin d’études statistiques avec des centaines d’échantillons différents. «Nous avons perfectionné la méthode et maintenant, nous sommes à même de réaliser un tomogramme complet au terme d’une bonne heure», relève Meitian Wang, scientifique spécialiste des lignes de faisceaux et coauteur de l’étude. Une solide collaboration incluant plusieurs groupes de recherche du PSI a permis d’améliorer la technique de balayage - lors de laquelle l’objet doit être positionné de manière extrêmement précise et être pivoté très progressivement -, mais aussi le logiciel informatique qui calcule le tomogramme final à partir des différents motifs d’interférence. 

Structures de collagène dans l’os 

«Pour tester notre méthode perfectionnée, il nous fallait un échantillon intéressant», raconte Christian Appel. En collaboration avec le Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV), à Lausanne un minuscule osselet de l’oreille moyenne a été investigué. Appelé enclume, il mesure quelques millimètres, mais joue un rôle déterminant pour l’ouïe. C’est en effet par l’enclume que l’énergie sonore est transmise du tympan à l’oreille interne. Si l’enclume est endommagée, par exemple par une inflammation chronique de l’oreille moyenne, il peut s’avérer nécessaire de la remplacer par une prothèse. Les médecins sont donc très curieux de savoir comment se présente l’intérieur de l’enclume.

Les structures de collagènes et leur orientation spatiale dans l’os sont particulièrement riches d’enseignements. Dans l’os, le collagène est une protéine qui remplit la même fonction que le treillis d’acier dans le béton armé: il assure simultanément la stabilité et l’élasticité. La direction des fibres de collagène peut renseigner sur la meilleure manière d’implanter une prothèse. Sur la base des motifs d’interférence, le programme informatique a pu calculer en moyenne la direction des fibres de collagène dans de nombreux sections minuscules de 20 x 20 x 20 micromètres de l’enclume. En comparaison, le diamètre d’un cheveu humain est d’environ 50 micromètres.

Avec la nouvelle SLS, les scientifiques pourront encore améliorer nettement cette résolution déjà très élevée. La taille du faisceau de rayons X sera alors réduite à quelques micromètres et permettra, de façon routinière, des mesures plus rapide grâce au flux de rayons X plus élevé. «En combinant l’amélioration de la résolution et l’accélération de la vitesse de mesure, de toutes nouvelles possibilités s’offrent à la tomographie par tenseur, en particulier dans les applications biomédicales», conclut Christian Appel.