L'ajout ou le retrait d'eau d'une cellule souche peut changer le destin de la cellule, chercheurs ont découvert dans une nouvelle étude publiée hier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

La recherche a révélé que la modification du volume d'une cellule modifiait sa dynamique interne, y compris la rigidité de la matrice tapissant la surface extérieure. Dans les cellules souches, l'élimination de l'eau condense la cellule, influencer les cellules souches pour devenir des cellules pré-osseuses rigides, tandis que l'ajout d'eau fait gonfler les cellules, formant des cellules molles pré-graisseuses.

Les chercheurs ont compris depuis longtemps que les cellules souches sont influencées par les cellules qui les entourent, capter des indices sur ce que devrait être leur fonction en fonction de la rigidité des matrices des cellules voisines.

Les résultats, cependant, confirment que la nature joue autant un rôle que l'éducation dans le comportement et le développement des cellules souches.

"Les résultats de cette étude ajoutent un nouvel outil fascinant à notre compréhension et à notre utilisation de la biologie des cellules souches pour la médecine régénérative, " dit Praveen Arany, DDS, Doctorat, co-auteur et professeur adjoint au Département de biologie buccale de l'Université de Buffalo School of Dental Medicine.

L'étude a été dirigée par Ming Guo, Doctorat, d'Arbeloff professeur adjoint au département de génie mécanique du Massachusetts Institute of Technology ; et David Weitz, Doctorat, Mallinckrodt Professeur de physique et de physique appliquée à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard.

"Pour la première fois, nous commençons à comprendre l'importance du volume cellulaire et de la teneur en eau cellulaire dans les propriétés mécaniques et les fonctions physiologiques des cellules, " dit Guo, qui a commencé la recherche en tant qu'étudiant diplômé dans le laboratoire de Weitz à Harvard.

La limite entre les os et la graisse

La recherche visait à l'origine à comprendre les effets du volume sur les caractéristiques et les fonctions d'une cellule. Le volume cellulaire est hautement régulé et change fréquemment au cours de la vie d'une cellule, augmente au fur et à mesure que la cellule grandit et diminue lorsqu'elle se divise.

Ces changements de volume sont le résultat de variations de la quantité de protéines, ADN et autres matériaux dans la cellule, bien qu'ils restent pour la plupart constants. Mais les cellules peuvent également subir des changements rapides et extrêmes de taille et de densité par l'absorption ou la libération d'eau, propagation ou rétrécissement en aussi peu que 20 minutes.

En augmentant ou en diminuant le volume des cellules de 20 pour cent, les enquêteurs ont découvert que les cellules ont subi plusieurs changements internes, y compris dans l'expression des gènes et la rigidité.

Connaissant le rôle de la rigidité cellulaire dans le développement des cellules souches, les chercheurs ont commencé à se demander si le volume cellulaire pouvait également affecter leur destin.

Pour tester la prémisse, les chercheurs ont placé des cellules souches à leur volume normal dans un substrat d'hydrogel durci pour simuler la rigidité des cellules osseuses. Après une semaine, une grande partie des cellules souches se sont développées en cellules pré-osseuses.

L'expérience a été répétée avec un substrat d'hydrogel ramolli. Dans l'environnement plus doux, il y a eu une diminution significative du nombre de cellules souches qui sont devenues des cellules pré-osseuses. Cependant, lorsque l'eau a été retirée des cellules pour diminuer leur volume de 20 pour cent, le nombre de cellules souches qui sont devenues des cellules pré-osseuses a augmenté, en dépit d'être dans le substrat plus doux.

Une expérience similaire a été menée en utilisant du verre. Les chercheurs ont placé des cellules souches sur du verre pour simuler un environnement plus rigide et ont découvert que peu de cellules se développaient en cellules pré-graisseuses. Ce n'est que lorsque le volume des cellules souches a augmenté de 20 pour cent qu'un pic dans la formation de cellules graisseuses a été trouvé.

Les chercheurs ont découvert que la modification du volume des cellules les faisait se comporter de la même manière que si elles étaient soumises à des pressions environnementales.

"La chose surprenante à propos de ces expériences est l'observation que le volume semble être lié à tellement de choses sur la cellule. Il semble dicter la rigidité cellulaire ainsi que le destin cellulaire, " dit Weitz, également membre principal du corps professoral du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et directeur du Materials Research Science and Engineering Center à Harvard.

"Ces observations peuvent également avoir des implications dans les moyens externes de surveiller le destin des cellules, ce qui peut être important pour les futures applications biotechnologiques.

Des études futures sont nécessaires pour examiner les effets de divers changements de volume, ainsi que si le volume cellulaire ou les signaux externes sont le facteur dominant dans le destin des cellules souches.

L'avenir de la médecine régénérative

Les cellules souches sont à la pointe de la médecine régénérative, offrant aux chercheurs et aux cliniciens le potentiel de réparer ou de remplacer les tissus et organes endommagés.

Avec la capacité de se développer en n'importe quel type de cellule spécialisée - d'une cellule musculaire à une cellule du sang rouge ou du cerveau - les cellules souches ont le potentiel de traiter diverses maladies et affections, de la maladie cardiaque à la perte des dents. Une greffe de moelle osseuse, une forme de thérapie par cellules souches, est déjà largement utilisé.

Les cellules souches peuvent également aider au développement de médicaments et à la compréhension de la façon dont le cancer et les malformations congénitales surviennent.

Apprendre ce qui cause la différenciation entre ces cellules aidera les chercheurs à générer des méthodes qui influencent leur comportement et, finalement, développer de nouvelles thérapies.

Outre les indices physiques tels que la rigidité ou le volume des cellules, stem cell differentiation can be influenced by a number of biological factors, pharmaceutical drugs or biophysical agents, comme la lumière, ultrasound and radio frequencies.