(Phys.org) - En utilisant des amas de minuscules particules magnétiques d'environ 1, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, des chercheurs de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées UCLA Henry Samueli ont montré qu'ils peuvent manipuler la façon dont des milliers de cellules se divisent, se transformer et développer des extensions en forme de doigt.

Ce nouvel outil pourrait être utilisé en biologie du développement pour comprendre comment les tissus se développent, ou dans la recherche sur le cancer pour découvrir comment les cellules cancéreuses se déplacent et envahissent les tissus environnants, les chercheurs ont dit.

Les résultats de l'équipe de l'UCLA ont été publiés en ligne le 14 octobre dans la revue Méthodes naturelles .

Une cellule peut être considérée comme une machine biologique complexe qui reçoit un assortiment d'"entrées" et produit des "sorties" spécifiques, " comme la croissance, mouvement, division ou la production de molécules. Au-delà du type d'entrée, les cellules sont extrêmement sensibles à l'emplacement d'une entrée, en partie parce que les cellules effectuent un "multiplexage spatial, " réutiliser les mêmes signaux biochimiques de base pour différentes fonctions à différents endroits dans la cellule.

Comprendre cette localisation des signaux est particulièrement difficile car les scientifiques manquent d'outils avec une résolution et un contrôle suffisants pour fonctionner dans l'environnement miniature d'une cellule. Et tout outil utilisable devrait être capable de perturber simultanément de nombreuses cellules ayant des caractéristiques similaires pour obtenir une distribution précise des réponses, puisque les réponses des cellules individuelles peuvent varier.

Pour résoudre ce problème, une équipe interdisciplinaire de l'UCLA qui comprenait le professeur agrégé de bio-ingénierie Dino Di Carlo, Le chercheur postdoctoral Peter Tseng et le professeur de génie électrique Jack Judy ont développé une plate-forme pour manipuler avec précision des nanoparticules magnétiques à l'intérieur de cellules de forme uniforme. Ces nanoparticules ont produit un signal mécanique local et ont produit des réponses distinctes des cellules.

En déterminant les réponses de milliers de cellules individuelles de même forme à des stimuli locaux induits par des nanoparticules, les chercheurs ont pu effectuer une moyenne automatisée de la réponse des cellules.

Pour réaliser cette plateforme, l'équipe a d'abord dû relever le défi de déplacer de si petites particules (chacune mesurant 100 nanomètres) à travers l'intérieur visqueux d'une cellule une fois que les cellules les ont engloutis. Grâce aux technologies ferromagnétiques, qui permettent aux matériaux magnétiques d'allumer et d'éteindre, " l'équipe a développé une approche pour intégrer une grille de petits blocs ferromagnétiques dans une lame de verre microfabriquée et pour placer avec précision des cellules individuelles à proximité de ces blocs avec un motif de protéines qui adhèrent aux cellules.

Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à ce système, les blocs ferromagnétiques sont activés et peuvent donc attirer les nanoparticules à l'intérieur des cellules dans des directions spécifiques et les aligner uniformément. Les chercheurs pourraient alors façonner et contrôler les forces dans des milliers de cellules en même temps.

En utilisant cette plateforme, l'équipe a montré que les cellules répondaient à cette force locale de plusieurs manières, y compris dans la façon dont ils se sont divisés. Lorsque les cellules passent par le processus de réplication pour créer deux cellules, l'axe de division dépend de la forme de la cellule et des points d'ancrage par lesquels la cellule s'accroche à la surface. Les chercheurs ont découvert que la force induite par les nanoparticules pouvait modifier l'axe de division cellulaire de sorte que les cellules se divisent plutôt le long de la direction de la force.

Les chercheurs ont déclaré que cette sensibilité à la force pourrait faire la lumière sur la formation et l'étirement complexes des tissus au cours du développement embryonnaire. En plus de diriger l'axe de division, ils ont découvert que la force locale induite par les nanoparticules conduisait également à l'activation d'un programme biologique dans lequel les cellules génèrent des filopodes, qui ressemblent à des doigts, extensions riches en actine que les cellules utilisent souvent pour trouver des sites auxquels adhérer et qui facilitent le mouvement.

Di Carlo, le chercheur principal de la recherche, envisage que la technique peut s'appliquer au-delà du contrôle des stimuli mécaniques dans les cellules.

"Les nanoparticules peuvent être recouvertes d'une variété de molécules qui sont importantes dans la signalisation cellulaire, " at-il dit. " Nous devrions maintenant avoir un outil pour étudier quantitativement comment l'emplacement précis des molécules dans une cellule produit un comportement spécifique. Il s'agit d'une pièce manquante clé dans notre ensemble d'outils pour comprendre les programmes de cellules et pour que les cellules d'ingénierie exécutent des fonctions utiles. »