En tant que jeune physicien de l'ex-Union soviétique, Igor Sokolov a étudié le plus grand des grands :l'univers entier. Maintenant, en tant que professeur de génie mécanique à Tufts, il est concentré sur le minuscule, le nano. En effectuant un zoom avant, façon d'entrer - Sokolov et ses collègues étudient tout, des bactéries aux coléoptères jusqu'au niveau nanométrique. Aujourd'hui, il porte un regard neuf sur l'un des problèmes les plus anciens de la médecine :le cancer.

L'instrument de prédilection de Sokolov est le microscope à force atomique (AFM), qui utilise sa minuscule sonde en forme de doigt pour mesurer de minuscules forces à très petite échelle, "à peu près entre les atomes individuels, " dit-il. Il a découvert cette technologie pour la première fois alors qu'il étudiait les origines de l'univers il y a plus de 20 ans, à peu près au moment où l'AFM a été inventé. Il l'a utilisé pour rechercher des preuves de particules élémentaires théoriques. Quand Sokolov n'en a pas trouvé, son travail a aidé à mettre ces idées au lit.

Bientôt, Sokolov a tourné l'instrument vers des préoccupations plus terrestres. En 1994, en tant que membre du département de microbiologie de l'Université de Toronto, il a été parmi les premiers à utiliser l'AFM pour étudier les bactéries. Zoom sur une bactérie probiotique utilisée pour fabriquer du fromage suisse, Sokolov a révélé un processus jamais documenté auparavant par lequel la cellule répare sa surface après avoir subi des dommages chimiques.

L'expérience a également démontré la capacité de l'AFM à détecter les changements mécaniques dans les cellules vivantes à une résolution sans précédent, ce qui serait utile dans les travaux ultérieurs de Sokolov. "C'était le début de mon amour des applications biomédicales, " dit Sokolov, qui a également des nominations dans les départements de génie biomédical et de physique.

Regardons de plus près le cancer

Plus récemment, Sokolov et ses collègues ont utilisé la microscopie à force atomique sur certaines des cellules les plus mystérieuses de toutes, les malignes. La plupart des outils de diagnostic existants utilisent l'empreinte chimique des cellules pour identifier le cancer. Dans une série d'expériences au cours des cinq dernières années, il a recherché des différences physiques entre les cellules cancéreuses et les cellules saines qui pourraient aider les médecins à diagnostiquer le cancer plus tôt et avec plus de précision. La détection précoce augmente considérablement les chances de survie des patients.

Lui et ses collaborateurs ont obtenu des résultats prometteurs dans des études préliminaires utilisant des cellules cancéreuses du col de l'utérus et de la vessie - "des cancers où vous pouvez prélever des cellules sans biopsie - des méthodes très peu invasives, " précise-t-il.

En 2009, Sokolov et ses collègues de l'Université Clarkson à New York ont ​​étudié des cellules saines et malades qui étaient pratiquement identiques, biochimiquement parlant. À la recherche d'une différence physique ou mécanique qui pourrait aider à distinguer les deux types de cellules, les chercheurs ont découvert que la couche superficielle entourant les cellules cancéreuses - ce que Sokolov appelle la couche de brosse péricellulaire - était nettement différente de celle des cellules normales.

"C'était définitivement nouveau, " il dit, notant que des résultats similaires ont été récemment publiés par des chercheurs utilisant des méthodes biochimiques plus traditionnelles. "Les auteurs ont appelé ces résultats le résultat du changement de paradigme de la recherche sur le cancer."

La couche de brosse péricellulaire est quelque chose comme le manteau de fourrure d'une cellule, et il peut ressembler à celui d'un chat persan ou à celui d'un cabot galeux. C'est dans la densité et la taille de cette couche de brosse que les chercheurs ont trouvé des différences significatives entre les cellules cancéreuses et les cellules saines. Dans un article de 2009 publié dans Nature Nanotechnologie , l'équipe a signalé avoir observé une couche de brosse relativement uniforme dans les cellules saines, tandis que dans les cellules cancéreuses, ils ont vu une couche de brosse à deux niveaux, avec des poils longs clairsemés et des poils courts denses.

Lorsque les scientifiques ont saupoudré les cultures cellulaires de particules fluorescentes, ils pouvaient voir, même à l'œil nu, que les particules s'étaient collées aux cellules cancéreuses, laissant des traces éclatantes de la maladie.

"Vous n'avez besoin d'aucun appareil pour voir la différence. Cela a créé un très fort gradient visible pour les cellules cancéreuses, " dit Sokolov.

Ce fait s'est avéré plus intéressant qu'utile comme outil de diagnostic, bien que. C'est parce que les cellules suspectes doivent être cultivées dans une boîte, et les scientifiques peuvent déjà identifier les cellules cancéreuses simplement en les regardant se développer.

La bombe à retardement fractale

L'équipe de Sokolov a donc recherché d'autres paramètres susceptibles d'alerter les pathologistes de la présence d'un cancer. Après avoir testé de nombreuses caractéristiques cellulaires, les chercheurs ont trouvé une variation clé, un trait appelé "dimensionnalité fractale".

Les fractales sont définies comme des motifs « auto-similaires » qui se ressemblent à différentes échelles. Ils se produisent souvent dans la nature. Pensez à un arbre :les brindilles les plus fines qui portent des feuilles reproduisent les motifs des branches les plus larges ci-dessous. Ils ont à peu près la même apparence que vous effectuez un zoom avant ou arrière ; vous perdez votre sens de l'échelle sans autre objet pour vous avertir.

"Les fractales se produisent généralement dans la nature à partir d'un comportement chaotique. Le cancer a également été associé au chaos. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont prédit un lien entre le cancer et les fractales, ", explique Sokolov.

Et lorsque son équipe a utilisé l'AFM pour examiner la surface des cellules, les chercheurs ont constaté une différence de pratiquement 100 % dans la dimensionnalité fractale des cellules normales et cancéreuses, une découverte qu'ils ont rapporté dans le journal Lettres d'examen physique en 2011.

Plus récemment, Sokolov et ses collègues ont pu déterminer que cette géométrie fractale se produit au cours d'une période spécifique, phase intermédiaire de la progression du cancer. Les résultats, récemment soumis pour publication, pourraient un jour aider les médecins non seulement à diagnostiquer la maladie, mais aussi à surveiller sa progression.

"Jusqu'à présent, ce que nous avons vu est assez précis, bien plus précis que tout ce qui est à la disposition des médecins pour diagnostiquer le cancer du col de l'utérus aujourd'hui, " dit Sokolov. Il note que le test de Pap commun est susceptible de produire des faux positifs et de manquer des cancers précoces.

Bien que le test ait fait baisser les taux de mortalité depuis son introduction, il n'a jamais fait l'objet d'un essai contrôlé randomisé - l'étalon-or de la recherche scientifique - et il n'y a pas de définitions universellement acceptées des résultats des tests, selon l'Institut national du cancer.

« Il a encore une précision insuffisante, conduisant à des biopsies inutiles coûteuses et désagréables, " dit Sokolov.

La recherche sur le cancer n'est qu'un des nombreux projets que Sokolov et ses deux boursiers postdoctoraux ainsi que quatre étudiants diplômés - deux ingénieurs en mécanique et deux ingénieurs biomédicaux - ont en cours dans leurs laboratoires du 200 Boston Avenue.

Le groupe, avec des collaborateurs du Tufts Medical Center, Dartmouth College et des institutions partout à Boston, recherche également d'autres approches nanotechnologiques pour diagnostiquer le cancer. Ils ont déjà développé une haute résolution, test à grande vitesse qui pourrait éventuellement conduire à une nouvelle façon d'étudier les changements dans les cellules lorsqu'elles deviennent malignes. Penser à plus long terme, Sokolov propose l'idée d'une nanoparticule patrouillant dans le corps qui peut changer de couleur lorsqu'elle détecte quelque chose de mauvais.

"Comme une bombe à retardement, certaines de ces cellules deviendront cancéreuses, " dit-il. " Au début, le cancer est assez facilement tué, donc un diagnostic précoce peut aider à l'éradiquer."