Pour la première fois, des scientifiques ont mesuré en temps réel la croissance de cellules individuelles. Cela peut paraître simple, mais il s’agit en réalité d’une prouesse technique intimidante. C’est comme mesurer le poids d’un minuscule grain de sable sous un microscope électronique alors que l’eau microscopique s’évapore autour de lui, tandis que le sable lui-même subit constamment un changement subtil dans sa composition chimique. À titre de comparaison, ces expériences s’apparentent à mesurer la croissance d’un bébé humain avec une balance de précision suffisamment sensible pour détecter un seul grain de sable au cours d’une gestation de 9 mois. Et pourtant, cela a de profondes implications pour notre compréhension de la santé humaine, car ces mesures montrent comment les cellules utilisent l’énergie et réagissent à leur environnement.

"Cela nous permettra d'étudier toutes sortes de processus biologiques fondamentaux en fonction de la taille des cellules", explique Daniel Needleman, physicien et bio-ingénieur à l'Université de Californie à Berkeley et co-responsable de l'équipe de recherche. « Maintenant que nous avons la possibilité d’effectuer ces mesures, nous pouvons réellement nous demander :dans quelle mesure la croissance d’une cellule est-elle variable ? Dans quelle mesure est-il sensible aux perturbations ? Comment la croissance dépend-elle des nutriments ou de l’environnement dans lequel se trouve la cellule ? Qu’arrive-t-il à la croissance lorsque les cellules deviennent cancéreuses et cessent de répondre aux signaux de croissance normaux ?

"Il s'agit véritablement d'une étape technique dans le domaine de la biologie unicellulaire", ajoute Nevan Krogan, biologiste quantitatif à l'Université de Californie à San Francisco (UCSF) et co-responsable de l'équipe de recherche. "Cela sera transformateur pour l'ensemble de la communauté, ouvrant de nouvelles possibilités pour étudier la biologie fondamentale et les mécanismes pathologiques au niveau unicellulaire."

Needleman et Krogan sont co-auteurs principaux d’une étude décrivant la plateforme et ses premiers résultats, publiée aujourd’hui (12 mai 2022) dans la revue Cell. Alors qu'une poignée de groupes ont déjà mesuré la masse des populations de cellules, ce groupe a développé la première plate-forme permettant de peser des cellules individuelles en temps réel au fur et à mesure de leur croissance.

Ils ont constaté que le taux de croissance d’une cellule individuelle est constant; c'est-à-dire que sa masse augmente régulièrement avec le temps. Fait intéressant, cela signifie que le taux métabolique d’une cellule par unité de masse diminue à mesure qu’elle grandit. En d’autres termes, une cellule plus petite est plus efficace pour convertir l’énergie de son environnement en croissance qu’une cellule plus grande. De plus, les chercheurs ont montré que leurs méthodes pouvaient être utilisées pour mesurer l’efficacité avec laquelle les cellules absorbent et convertissent les nutriments externes en croissance.

« En tant que biologiste quantitatif, je suis devenu passionné par l'utilisation d'approches quantitatives précises pour étudier des problèmes qui étaient, jusqu'à récemment, trop difficiles ou impossibles à mesurer. Pour apporter une contribution, il faut construire ces nouveaux outils de mesure », explique Krogan. «Cet effort nous a obligé à développer de nouvelles approches expérimentales et informatiques et à rassembler des scientifiques d'horizons différents. Cela n’aurait pas été possible si nous avions travaillé de manière isolée.

Peser l'inpondérable

La nouvelle plate-forme, baptisée pesée microfluidique, combine la microfluidique, qui permet la manipulation précise des fluides à l'échelle submillimétrique, avec l'imagerie de phase quantitative, une technique de microscopie relativement nouvelle qui mesure directement la masse d'un objet en fonction de la façon dont il courbe la lumière.

"Le premier défi technique consiste simplement à manipuler et à capturer des cellules", explique Daniel Fletcher, bio-ingénieur à l'UC Berkeley et co-auteur de l'étude, dont le laboratoire a développé la plateforme microfluidique. « Vous ne voulez pas que des centaines de milliers de cellules traversent votre système, car vous ne savez alors pas quelle cellule vous mesurez. Mais il ne faut pas non plus mesurer une cellule à la fois, car cela prendrait trop de temps. Ainsi, nous emprisonnons des dizaines ou des centaines de cellules à la fois et faisons circuler des médias dessus afin qu'elles obtiennent les nutriments dont elles ont besoin pour survivre, mais elles restent piégées là. Ensuite, l’équipe d’imagerie est intervenue pour optimiser et mettre en œuvre l’imagerie de phase quantitative.

Pour obtenir une imagerie de phase quantitative, les chercheurs ont projeté un faisceau de lumière à travers un microcanal et sur les cellules, capturant une image de la lumière lorsqu'elle émergeait de l'autre côté. S’il n’y avait aucune cellule dans le canal, le front d’onde de la lumière ne serait pas perturbé. Mais lorsqu’une cellule est présente, la lumière se courbe, modifiant légèrement le front d’onde. Ce changement de front d’onde peut être converti directement par calcul en masse de la cellule.

"En mesurant le déphasage de la lumière lorsqu'elle traverse une cellule, nous déduisons l'indice de réfraction local du matériau, qui est directement lié à la densité de la cellule", explique Aydogan Ozcan, co-auteur de l'étude et professeur de génie électrique. et informatique et directeur du laboratoire d'optique intégrée à l'UCLA. "Comme nous connaissons la composition chimique de la cellule et la densité de ses composants, cela nous permet de déterminer avec précision la masse de la cellule."

"Ces mesures sont très sensibles", explique Needleman. "Nous pouvons mesurer les changements dans la masse d'une seule cellule correspondant à l'ajout de moins de 1 000 molécules d'eau à la cellule."

À mesure que les cellules de la chambre microfluidique absorbaient les nutriments de leur environnement, elles se dilataient et prenaient de la masse, comme prévu.

"Mais nous avons remarqué que le taux de croissance ne changeait pas à mesure que les cellules grossissaient", explique Needleman. "Cela signifie que le moteur métabolique à l'intérieur d'une petite cellule est en réalité plus efficace pour convertir l'énergie en croissance que le moteur d'une cellule plus grande."

L’équipe espère que d’autres scientifiques adopteront et perfectionneront davantage leur technologie pour étudier la croissance de nombreux types différents de cellules dans diverses conditions et environnements, y compris des pathologies.