Newswise – Disons que vous devez déplacer une cellule individuelle d’un endroit à un autre. Comment tu fais ça? Peut-être des pincettes spéciales ? Vraiment petite pelle ?
La vérité est que la manipulation de cellules individuelles est une tâche difficile. Certains travaux ont été effectués sur des soi-disant pincettes optiques qui peuvent déplacer des cellules avec des faisceaux de lumière, mais bien qu’elles soient efficaces pour déplacer une seule cellule, elles ne sont pas destinées à gérer un plus grand nombre de cellules.
De nouvelles recherches menées à Caltech ont créé une alternative : des protéines remplies d’air, produites par des cellules génétiquement modifiées, qui peuvent être propulsées – avec les cellules qui les contiennent – par ultrasons. Un article décrivant le travail paraît dans le journal La science avance.
Le travail s’appuie sur des travaux antérieurs effectués dans un laboratoire Michel ShapiroProfesseur de génie chimique et de génie médical et chercheur à l’Institut médical Howard Hughes.
Shapiro a travaillé pendant des années avec des sacs de gaz dérivés de bactéries comme marqueur acoustique. Ces alvéoles, qui sont des capsules de protéines remplies d’air, assurent la flottabilité de certaines bactéries aquatiques. Mais ils ont aussi une autre caractéristique utile : en raison de leurs intérieurs aérés, ils apparaissent fortement sur les images échographiques. La découverte par Shapiro de cette qualité a conduit son laboratoire à développer des vésicules de gaz comme marqueur génétique de celle-ci Suivre l’emplacement des cellules bactériennes individuelleset pour Surveillance de l’activité d’expression des gènes dans les cellules de mammifères profondément dans le corps.
Maintenant, Shapiro et ses collègues ont montré que ces vésicules peuvent pousser et tirer des cellules dans des endroits spécifiques sous l’influence des ultrasons. Ce phénomène est très similaire à la façon dont les ultrasons sont utilisés dans l’air pour suspendre et/ou déplacer de petits objets légers. Cela est dû au fait que les ondes sonores créent des zones de pression agissant sur les objets à proximité. Les propriétés physiques d’un objet ou d’une substance déterminent s’il sera attiré ou s’échappera d’une zone de haute pression. Les cellules normales sont repoussées des zones de haute pression, mais les cellules avec des vésicules de gaz sont attirées vers elles.
« Nous avons déjà utilisé ces vésicules pour l’imagerie, et cette fois nous avons montré que nous pouvons réellement les utiliser comme actionneurs afin que nous puissions appliquer une force à ces corps à l’aide d’ultrasons », explique De Wu (MS ’16, PhD ’21) , chercheur dans le laboratoire de Shapiro et auteur principal de l’étude. « Ce que cela nous permet de faire, c’est de déplacer des cellules dans l’espace à l’aide d’ultrasons et de pouvoir le faire de manière très sélective. »
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles vous pourriez vouloir pouvoir déplacer des cellules, disent Shapiro et Wu. Par exemple, l’ingénierie tissulaire – la création de tissus artificiels à des fins de recherche ou à des fins médicales – nécessite des cellules de types spécifiques qui sont disposées selon des motifs complexes. Un muscle artificiel peut avoir besoin de plusieurs couches de cellules musculaires, de cellules qui fabriquent des tendons et de cellules nerveuses, par exemple.
Un autre cas dans lequel vous voudrez peut-être déplacer des cellules est la thérapie cellulaire, qui est un domaine de la médecine dans lequel des cellules aux propriétés souhaitées sont introduites dans le corps.
« Vous entrez dans les cellules artificielles du corps, et elles vont partout pour trouver leur cible », explique Dee. « Mais avec cette technologie, nous aurons probablement un moyen de les guider vers l’emplacement souhaité dans le corps. »
À titre d’illustration, l’équipe a montré que les cellules contenant des vésicules de gaz peuvent être forcées à s’agglutiner en une petite boule, disposées en rubans minces ou poussées sur les bords d’un récipient. Lorsqu’ils ont modifié le modèle d’échographie, les cellules ont « dansé » pour adopter de nouvelles positions. Ils ont également développé un modèle d’ultrasons qui a poussé les cellules en forme de « R » dans un gel, les maintenant dans cette forme après leur durcissement. Ils appellent la forme résultante un « hologramme acoustique ».
Un domaine où leurs recherches pourraient avoir un impact immédiat, dit Wu, est le tri cellulaire, un processus essentiel à divers types de recherche biologique et médicale.
« La façon courante dont les gens trient les cellules consiste maintenant à les concevoir pour qu’elles expriment une protéine fluorescente, puis à utiliser un trieur de cellules fluorescentes (FACS) », dit-il. « Il s’agit d’un équipement lourd de 300 000 dollars, il vit principalement dans une armoire de sécurité biologique et ne trie pas les cellules très rapidement. »
« En revanche, le tri sonique peut être effectué avec une micropuce qui peut coûter 10 $. La raison de cette différence est que dans le tri fluorescent, vous devez mesurer l’expression génique des cellules séparément, puis les transfuser. Cela se fait une cellule à la fois. . » Expression des vésicules de gaz, les gènes d’une cellule sont directement liés à la force qui est appliquée à la cellule. S’ils sécrètent des vésicules de gaz, ils subiront une force différente, nous n’avons donc pas besoin de vérifier séparément s’ils expriment du gaz vésicules puis les transmettre ; nous pouvons les déclencher toutes en même temps. Cela simplifie à peu près les choses. »
L’article décrivant la recherche est intitulé « Biomolecular Triggers for Genetically Selective Acoustical Manipulation of Cells » apparaît le 22 février La science avance. Les co-auteurs supplémentaires sont les anciens doctorants en génie médical de Caltech, Colin Cook (MS ’16, PhD ’19), maintenant scientifique de l’équipe de City of Hope ; et David R. Mittelstein (MS ’16, PhD ’20), maintenant médecin résident à Scripps Health; l’ancien boursier postdoctoral David Maresca, maintenant professeur adjoint à l’Université de technologie de Delft, aux Pays-Bas ; Maria Apondo, étudiante diplômée en génie chimique à Caltech, les étudiants diplômés en bio-ingénierie Mengtung Duan, Justin Lee et Shireen Shifai; Dina Malonda du Howard Hughes Medical Institute, Diego Parish de l’Université de Bordeaux en France; Zichao Ma de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents à Stuttgart, en Allemagne ; Tian Qiu de l’Université de Stuttgart, Allemagne ; et Per Fischer de l’Institut Max Planck pour la recherche médicale et de l’Université de Heidelberg à Heidelberg, en Allemagne.
La recherche a été financée par les National Institutes of Health, l’US Army Institute for Collaborative Biotechnologies, la David and Lucille Packard Foundation et le Pew Charitable Fund. Michael Shapiro est membre du corps professoral affilié à Tianqiao et Chrissie Chen Institute of Neurosciences à Caltech.
