La rigidité ou l'élasticité d'une cellule peut révéler beaucoup si la cellule est saine ou malade. Cellules cancéreuses, par exemple, sont connus pour être plus doux que la normale, tandis que les cellules asthmatiques peuvent être assez raides.

La détermination des propriétés mécaniques des cellules peut ainsi aider les médecins à diagnostiquer et suivre la progression de certaines maladies. Les méthodes actuelles pour ce faire impliquent de sonder directement les cellules avec des instruments coûteux, tels que les microscopes à force atomique et les pincettes optiques, qui rendent direct, contact invasif avec les cellules.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont mis au point un moyen d'évaluer les propriétés mécaniques d'une cellule par simple observation. Les chercheurs utilisent la microscopie confocale standard pour se concentrer sur la constante, mouvements agités des particules d'une cellule—mouvements révélateurs qui peuvent être utilisés pour déchiffrer la rigidité d'une cellule. Contrairement aux pincettes optiques, la technique de l'équipe est non invasive, courir peu de risques d'altérer ou d'endommager une cellule en sondant son contenu.

« Il y a plusieurs maladies, comme certains types de cancer et d'asthme, où la rigidité de la cellule est connue pour être liée au phénotype de la maladie, " dit Ming Guo, le professeur assistant en développement de carrière Brit et Alex d'Arbeloff au département de génie mécanique du MIT. "Cette technique ouvre vraiment une porte pour qu'un médecin ou un biologiste, s'ils souhaitent connaître la propriété matérielle de la cellule très rapidement, manière non invasive, peut maintenant le faire."

Guo et l'étudiant diplômé Satish Kumar Gupta ont publié leurs résultats dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Cuillères à mélanger

Dans sa thèse de doctorat de 1905, Albert Einstein a dérivé une formule, connue sous le nom d'équation de Stokes-Einstein, qui permet de calculer les propriétés mécaniques d'un matériau en observant et en mesurant le mouvement des particules dans ce matériau. Il n'y a qu'un seul hic :le matériau doit être « en équilibre, " ce qui signifie que tout mouvement de particules doit être dû à l'effet de la température du matériau plutôt qu'à des forces externes agissant sur les particules.

"Vous pouvez considérer l'équilibre comme une tasse de café chaud, " dit Guo. " La température du café à elle seule peut entraîner la dispersion du sucre. Maintenant, si vous remuez le café avec une cuillère, le sucre se dissout plus vite, mais le système n'est plus mû uniquement par la température et n'est plus en équilibre. Vous changez l'environnement, mettre de l'énergie et accélérer la réaction."

Au sein d'une cellule, les organites tels que les mitochondries et les lysosomes bougent constamment en réponse à la température de la cellule. Cependant, Guo dit, il y a aussi "beaucoup de minicuillères" remuant le cytoplasme environnant, sous forme de protéines et de molécules qui, de temps en temps, poussent activement les organites vibrants comme des boules de billard.

Le flou constant de l'activité dans une cellule a rendu difficile pour les scientifiques de discerner, simplement en regardant, quels mouvements sont dus à la température et lesquels sont dus à plus d'activité, processus « de type cuillère ». Cette limite, Guo dit, a "fermé la porte à l'utilisation de l'équation d'Einstein et de l'observation pure pour mesurer les propriétés mécaniques d'une cellule".

Image par image

Guo et Gupta ont supposé qu'il pourrait y avoir un moyen de déceler les mouvements entraînés par la température dans une cellule en examinant la cellule dans un délai très court. Ils ont réalisé que les particules excitées uniquement par la température présentent un mouvement de secousse constant. Peu importe quand vous regardez une particule entraînée par la température, ça va forcément bouger.

En revanche, les processus actifs qui peuvent frapper une particule autour du cytoplasme d'une cellule ne le font qu'occasionnellement. En voyant de tels mouvements actifs, ils ont émis l'hypothèse, nécessiterait de regarder une cellule sur une période plus longue.

Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont mené des expériences sur des cellules de mélanome humain, une lignée de cellules cancéreuses qu'ils ont choisies pour leur capacité à se développer facilement et rapidement. Ils ont injecté de petites particules de polymère dans chaque cellule, puis suivi leurs mouvements sous un microscope à fluorescence confocal standard. Ils ont également fait varier la rigidité des cellules en introduisant du sel dans la solution cellulaire, un processus qui extrait l'eau des cellules, les rendant plus compressés et rigides.

Les chercheurs ont enregistré des vidéos des cellules à différentes fréquences d'images et observé comment les mouvements des particules changeaient avec la rigidité des cellules. Quand ils ont regardé les cellules à des fréquences supérieures à 10 images par seconde, ils ont surtout observé des particules tremblant sur place; ces vibrations semblaient être causées par la seule température. Ce n'est qu'à des fréquences d'images plus lentes qu'ils ont repéré plus d'actifs, mouvements aléatoires, avec des particules projetant sur de plus grandes distances dans le cytoplasme.

Pour chaque vidéo, ils ont suivi la trajectoire d'une particule et appliqué un algorithme qu'ils avaient développé pour calculer la distance moyenne de déplacement de la particule. Ils ont ensuite branché cette valeur de mouvement dans un format généralisé de l'équation de Stokes-Einstein.

Guo et Gupta ont comparé leurs calculs de rigidité avec les mesures réelles qu'ils ont effectuées à l'aide de pincettes optiques. Leurs calculs ne correspondaient aux mesures que lorsqu'ils utilisaient le mouvement de particules capturées à des fréquences de 10 images par seconde et plus. Guo dit que cela suggère que les mouvements des particules se produisant à hautes fréquences sont en effet déterminés par la température.

Les résultats de l'équipe suggèrent que si les chercheurs observent les cellules à des fréquences d'images suffisamment rapides, ils peuvent isoler les mouvements de particules qui sont purement entraînés par la température, et déterminer leur déplacement moyen, une valeur qui peut être directement intégrée à l'équation d'Einstein pour calculer la rigidité d'une cellule.

"Maintenant, si les gens veulent mesurer les propriétés mécaniques des cellules, ils peuvent juste les regarder, " dit Guo.

L'équipe travaille maintenant avec des médecins du Massachusetts General Hospital, qui espèrent utiliser le nouveau, technique non invasive pour étudier les cellules impliquées dans le cancer, asthme, et d'autres conditions dans lesquelles les propriétés cellulaires changent à mesure que la maladie progresse.

"Les gens ont l'idée que la structure change, mais les médecins veulent utiliser cette méthode pour démontrer s'il y a un changement, et si nous pouvons l'utiliser pour diagnostiquer ces conditions, " dit Guo.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.