La biologie cellulaire utilise de nombreuses techniques pour étudier la morphologie cellulaire. La technique reine reste toutefois la microscopie avec toutes ses variantes. C'est le microscope qui a permis sa naissance au xviie siècle et il reste toujours le principal moyen d'études. Le microscope s'est aujourd'hui diversifié pour améliorer la visualisation des structures : depuis le microscope optique simple lentille des origines, on a développé des microscopes optiques plus complexes utilisant la lumière directe ou la fluorescence, ainsi que des microscopes électroniques.
Parallèlement les techniques de coloration se sont développées permettant la mise en évidence de structures de plus en plus fines et de mieux les localiser au sein de la cellule. Ainsi, si les premières colorations permettaient de visualiser les caractéristiques générales des zones cellulaires (acides, basiques, riches en lipides, etc.) actuellement, grâce à l'utilisation des anticorps et des toxines, on peut détecter la position d'une molécule précise et dans une certaine mesure de la doser ou de suivre son évolution temporelle. Ces techniques ne sont toutefois pas spécifiques à la cytologie et sont également largement utilisées en histologie.
La plupart de ces techniques sont létales pour la cellule et cette dernière survit rarement à la coloration, surtout pour les techniques les plus complexes. C'est pourquoi le microscope à contraste de phase est largement employé vu que celui-ci permet d'observer des cellules vivantes.
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