Le mouvement du corps est annulé et la base du cil est fixée. La ligne bleue correspond à la description mathématique de la position du cil. Le cercle rouge correspond à la base du cil. La vidéo est ralentie d'un facteur 40. Crédit :Philip Bayly
Les corps humains ont des systèmes intégrés pour prendre soin d'eux-mêmes. Les cellules qui tapissent nos poumons, nez, le cerveau et le système reproducteur ont des cils, qui sont minuscules, des structures ressemblant à des cheveux conçues pour balayer les fluides, cellules et microbes pour rester en bonne santé. Mais les mécanismes derrière leur mouvement ne sont pas bien compris.
Une équipe de chercheurs de la McKelvey School of Engineering et de la School of Medicine de l'Université de Washington à St. Louis a voulu déterminer comment la longueur affectait l'efficacité mécanique du battement des cils. Ils ont découvert que la plupart des mesures mécaniques, y compris la force, couple et puissance, augmenté proportionnellement à la longueur des cils, mais il y avait un « sweet spot » en termes d'efficacité. Les résultats donnent un aperçu des cils chez l'homme et comment les défauts conduisent à la maladie, telles que la dyskinésie ciliaire primitive, qui est associée à des infections respiratoires chroniques, changements dans l'axe droit-gauche et malformations cardiaques. Les résultats seront publiés dans le numéro du 9 avril de Journal biophysique .
L'étude a été menée par Mathieu Bottier, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Philip Bayly, le professeur Lilyan &E. Lisle Hughes de génie mécanique et président du département de génie mécanique et science des matériaux; et le laboratoire de Susan K. Dutcher, professeur de génétique et de biologie cellulaire et physiologie à la Faculté de médecine. Les chercheurs ont utilisé la microscopie vidéo à haute vitesse pour analyser un modèle de cils afin de déterminer leurs métriques mécaniques. Après avoir analysé près de 400 vidéos, l'équipe a découvert que le battement le plus efficace des cils était à sa longueur naturelle de 10-12 microns, ou environ un cinquième de la largeur d'un cheveu humain.
"Ce à quoi nous ne nous attendions pas, c'est que les cils courts ne seraient pas périodiques, " dit Bottier. " Les cils bougent tous, mais nous ne trouvons aucun modèle réel de battement - rien n'était synchronisé - et ce fut notre première découverte. »
L'équipe a utilisé Chlamydomonas reinhardtii, une algue verte unicellulaire qui nage normalement avec deux queues propulsives et est fréquemment utilisée comme modèle pour les cils de mammifères. Bottier et Kyle Thomas, un étudiant de premier cycle spécialisé en génie biomédical, utilisé un mutant avec un seul cil qui tourne en place, permettant un enregistrement vidéo plus long. Ils ont enlevé le cil, puis enregistré la repousse par vidéo. Le cil a mis environ 90 minutes pour revenir à sa longueur normale, et tandis que sa forme d'onde variait légèrement de celle des cils standard, ses principales caractéristiques étaient similaires.
Cil d'environ 9 microns de long battant à environ 60 Hz. La vidéo est ralentie d'un facteur 40. La cellule tourne visiblement grâce à son cil unique. Crédit :Philip Bayly
"Nous voulions voir le cil battre, ce que nous avons fait avec la vidéo, " dit Bottier. " Ensuite, nous avons demandé comment nous pouvions le décrire, et le meilleur moyen était de regarder le rythme moyen. Nous avons enregistré cinq ou six cycles de coups qui se répètent périodiquement, et de ces cinq ou six, on peut reconstituer une moyenne, ce qui supprimera les éventuelles valeurs aberrantes."
Le battement du cil s'effectue via une série de coudes qui commencent à sa base et s'étendent jusqu'à la pointe. L'équipe a découvert que les battements périodiques commencent lorsque les cils deviennent plus longs que deux à quatre microns, ce qui signifie qu'une longueur critique est nécessaire pour que les cils battent. Dans des recherches antérieures, les scientifiques n'avaient pas étudié les cils de moins de cinq ou six microns, dit Bottier. Une autre nouvelle observation est que la fréquence des battements des cils qui battent périodiquement est assez constante sur la plage normale de longueur des cils, bien qu'il diminue légèrement lorsque la longueur augmente de quatre microns à 12 microns, dit Bayly.
Ce travail peut aider à comprendre les mutations humaines qui rendent les cils courts et comment les cils courts auront un impact sur le devenir du patient, dit Dutcher.
Thomas a déclaré que la recherche permet de mieux comprendre le fonctionnement des cils et les causes des oscillations.
« Il y a beaucoup de modèles différents présentés sur ce qui motive ce modèle de flexion, cette étude a donc permis de savoir quels modèles sont les plus précis et lesquels peuvent présenter des inexactitudes, afin que nous puissions comprendre quand il y a un dysfonctionnement des cils, qu'est-ce qui le cause parce que cela pourrait déclencher des conversations sur la façon dont nous allons le traiter, " dit Thomas.
