Les chercheurs ont développé une nouvelle façon d'utiliser la microscopie à force atomique pour mesurer rapidement les propriétés mécaniques des cellules à l'échelle nanométrique, une avancée qui pourrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension des troubles immunitaires et du cancer.

Dans son rôle de pédiatre, Manish Butte, MARYLAND, Doctorat, va souvent pousser et pousser l'abdomen d'un patient, ressentir des anomalies - une rate enflée, un ganglion lymphatique durci ou une masse inhabituelle dans les intestins ou le foie. Il y a encore des choses qui ne peuvent être glanées qu'au toucher, et Butte pense que cette notion s'applique également aux cellules individuelles.

Pourtant, la capacité des chercheurs à sonder et à mesurer les caractéristiques des cellules vivantes est presque inexistante. Récemment, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de Stanford a entrepris de corriger ce déséquilibre avec une nouvelle technique de cartographie rapide des cellules. Ils ont réussi en mettant au point une avancée majeure dans une technologie connue sous le nom de microscopie à force atomique, ou AFM, qui lui-même a été inventé à Stanford en 1986.

Un article décrivant le travail a été publié en ligne le 11 novembre dans ACS Nano . Butte, professeur adjoint d'immunologie pédiatrique, est l'auteur principal. La paternité principale est partagée par Andrew Wang, Doctorat, un ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Butte, et Karthik Vijayrhagavan, Doctorat, qui était un étudiant diplômé et membre du laboratoire de microphotonique dirigé par Olav Solgaard, Doctorat, un professeur de génie électrique.

"La sensation d'une cellule - ses propriétés mécaniques qui affectent la façon dont elle entre en contact avec d'autres cellules et tissus - est beaucoup plus importante que ce à quoi elle ressemble, mais la technologie n'était tout simplement pas là pour nous permettre de l'examiner, " a déclaré Butte. " Il y a beaucoup à apprendre de l'étude de la mécanique d'une cellule et de ses structures juste sous la surface. "

La façon dont Butte et ses collègues utilisent l'AFM pour mesurer les propriétés mécaniques des cellules s'apparente à la façon dont un constructeur tape ses doigts le long d'une cloison sèche, à l'écoute du changement de hauteur qui lui dira qu'un montant en bois est de l'autre côté. Lorsqu'une sonde AFM touche la surface d'une cellule, ça vibre, et le modèle de ces vibrations, comme les ondes sonores se reflétant du goujon, donne des informations mécaniques sur les structures de la cellule touchée.

Cependant, les sondes AFM existantes sont relativement grandes et, par conséquent, insensible aux hautes fréquences, qui communiquent une grande partie des informations clés sur les entrailles d'une cellule. L'appareil de l'équipe de Stanford associe une très petite sonde à une sonde traditionnelle. Cet ensemble permet au dispositif de détecter des oscillations plus rapides que les dispositifs conventionnels et, par conséquent, pour prendre des mesures plus détaillées et beaucoup plus rapides.

"La principale différence entre ce microscope à force atomique et les précédents est que nous sommes capables de mesurer l'impact de la sonde sur la cellule très rapidement et d'obtenir des lectures spécifiques, alors que les AFM typiques fournissent simplement une moyenne. Cela nous permet pour la première fois de mesurer avec précision certains matériaux très mous, " dit Solgaard, qui est également co-auteur de l'article.

Les sondes actuelles mesurent la rigidité cellulaire en tapotant contre la cellule environ une ou deux fois par seconde, la mesure la plus rapide que les grandes sondes puissent effectuer. La petite sonde, cependant, peut faire des mesures détaillées facilement à cinq à 10, 000 taps par seconde en raison de sa sensibilité. Il a comparé le saut de sensibilité à la différence entre conduire une Cadillac Escalade sur la route et pousser une voiture jouet Hot Wheel sur la même surface :« La petite Hot Wheel ressentira chaque petite bosse bien plus que la grande Cadillac.

'Belle solution'

Les AFM mesurent le mouvement de la sonde en faisant rebondir un laser sur sa pointe. Au fur et à mesure que la pointe monte et descend, le laser est réfléchi. L'invention de Stanford couple la petite sonde avec la grande au moyen d'une structure en forme de fourche appelée réseau interférométrique. Le réseau produit un motif de diffraction basé sur les mouvements de la petite sonde, et permet à l'AFM de capturer facilement ses mesures.

"Notre pointe produit en fait un deuxième signal, et c'est ce qui nous permet d'obtenir beaucoup plus de détails. D'un point de vue technique, c'est extrêmement simple, belle solution, " Solgaard a dit, se référant aux signaux diffractés du réseau.

Le meilleur de tous, l'appareil de l'équipe peut être directement connecté aux AFM existants, économiser potentiellement des millions de dollars sur de nouveaux équipements qui pourraient autrement être dépensés pour la recherche. Un nouvel AFM peut coûter jusqu'à 500 $, 000, selon Solgaard.

L'objectif est l'équivalent cellulaire de Butte pressant l'abdomen d'un enfant.

« Nous voulons étudier la rigidité des cellules pour comprendre ce qui se trouve sous la surface et comment les cellules sont structurées, " a dit Wang.

A titre de démonstration, l'équipe a mesuré une section d'un globule rouge, faire environ 4 millions de mesures au total en environ 10 minutes, le tout sans endommager l'extérieur cellulaire délicat.

"Les mêmes mesures auraient pris plus d'un mois à compléter avec des microscopes à force atomique conventionnels, " a déclaré Vijayraghavan. La technologie est si rapide que l'équipe a pu créer une série d'images en accéléré d'une cellule vivante, chacun pris à seulement sept minutes d'intervalle, un rythme auparavant inimaginable.

Applications potentielles

Les applications pratiques de l'appareil vont de la compréhension scientifique de base de la structure cellulaire à l'immunologie et à l'oncologie. La compréhension scientifique des forces mécaniques en jeu dans les cellules fait tellement défaut que le domaine - maintenant appelé mécanobiologie - en est vraiment à ses balbutiements, selon Butte.

Les forces mécaniques dans le corps peuvent provenir des tissus, dont la rigidité va de la matière cérébrale la plus molle aux os les plus rigides, de la gravité, et même des mouvements de poussée et de traction d'autres cellules. Les cellules cancéreuses rendent leur environnement mécaniquement rigide en sécrétant des produits chimiques qui rigidifient la matrice extracellulaire. Les cellules cancéreuses interprètent également les forces mécaniques d'un tissu pour prendre des décisions concernant la croissance et les métastases. Des boucles de rétroaction surprenantes comme celle-ci semblent également se produire pour les cellules souches de la moelle osseuse et pendant le développement embryonnaire. La façon dont les cellules immunitaires interprètent les forces mécaniques est encore totalement inconnue.

"Le fruit le plus bas est le cancer. Les cancers sont souvent plus rigides que la normale, tissus sains et nous pouvons utiliser ces connaissances pour diagnostiquer une maladie. Mais d'abord, il faut avoir de bonnes données, que fournit notre appareil, ", a déclaré Wang. Il a déjà utilisé une forme précoce de la nouvelle sonde Stanford dans le cadre de travaux pilotes sur des échantillons de cancer du sein prélevés sur des mastectomies.

Pour sa part, Butte prévoit d'utiliser l'AFM rapide pour étudier le système immunitaire. Il espère découvrir pourquoi les cellules T qui combattent la maladie restent souvent dormantes une fois à l'intérieur d'une tumeur. Il théorise que la rigidité mécanique du tissu tumoral peut empêcher les cellules T d'entrer librement en contact avec les cellules cancéreuses et de déclencher leurs fonctions de lutte contre le cancer. En substance, la tumeur peut être trop encombrée pour que les cellules T fonctionnent. À l'autre extrémité de la gamme de rigidité, il croit que les propriétés mécaniques douces des tissus chroniquement enflammés ou infectés provoquent une suractivité du système immunitaire, comme l'auto-immunité.

C'est une théorie que personne n'a encore explorée en raison de barrières techniques, que l'AFM rapide pourrait surmonter. Le laboratoire de Butte a lancé un vaste effort pour lier les forces mécaniques aux réponses immunitaires au niveau moléculaire, échelles cellulaires et tissulaires. « Il y a tellement de choses que nous ne savons pas sur les propriétés mécaniques de divers types de cellules et de tissus malades. Presque rien, En réalité, " Butte a déclaré. "La première étape consiste à sonder. Maintenant, nous pouvons faire ça."