Des chercheurs du Baylor College of Medicine et du Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute du Texas Children's Hospital ont découvert un nouveau type de cellule dans le cerveau humain.
L'étude publiée dans Cellule cancéreuse Une étude révèle qu'un tiers des cellules du gliome, un type de tumeur cérébrale, émettent des impulsions électriques. Il est intéressant de noter que ces impulsions, également appelées potentiels d'action, proviennent de cellules tumorales qui sont en partie neuronales et en partie gliales, ce qui étaye l'idée révolutionnaire selon laquelle les neurones ne sont pas les seules cellules capables de générer des signaux électriques dans le cerveau. Les scientifiques ont également découvert que des cellules présentant des caractéristiques hybrides neurone-gliale sont présentes dans le cerveau humain non tumoral. Ces résultats soulignent l'importance d'étudier plus en détail le rôle de ces cellules nouvellement identifiées dans le gliome et dans le fonctionnement normal du cerveau.
« Les gliomes sont les tumeurs les plus courantes du système nerveux central, avec environ 12 000 cas diagnostiqués chaque année. Ces tumeurs sont universellement mortelles et ont des effets dévastateurs sur les fonctions neurologiques et cognitives. Des études antérieures ont montré que les résultats de survie des patients sont associés à la prolifération et à l'invasivité tumorales, qui sont influencées par des facteurs intrinsèques et extrinsèques de la tumeur, notamment la communication entre les cellules tumorales et les neurones qui résident dans le cerveau », a déclaré le Dr Benjamin Deneen, professeur et Dr Russell J. et Marian K. Blattner, titulaire de la chaire du département de neurochirurgie, directeur du Center for Cancer Neuroscience, membre du Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center à Baylor et chercheur principal au Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute.
Les chercheurs ont précédemment décrit que le gliome et les neurones sains environnants se connectent les uns aux autres et que les neurones communiquent avec les tumeurs de manière à favoriser la croissance et l’invasivité tumorales.
« Nous savons depuis un certain temps déjà que les cellules tumorales et les neurones interagissent directement », a déclaré la première auteure, la Dre Rachel N. Curry, chercheuse postdoctorale en pédiatrie et neuro-oncologie à Baylor, qui a été chargée de conceptualiser le projet. « Mais une question qui m'est toujours venue à l'esprit était : les cellules cancéreuses sont-elles électriquement actives ? Pour répondre correctement à cette question, nous avions besoin d'échantillons humains directement issus de la salle d'opération. Cela garantissait que la biologie des cellules telles qu'elles existeraient dans le cerveau soit préservée autant que possible. »
Pour étudier la capacité des cellules du gliome à émettre des signaux électriques et identifier les cellules qui produisent ces signaux, l'équipe a utilisé le séquençage par patch, une combinaison de techniques qui intègre des enregistrements électrophysiologiques de cellules entières pour mesurer les signaux de pointe avec le séquençage d'ARN à cellule unique et l'analyse de la structure cellulaire pour identifier le type de cellules.
Les expériences d'électrophysiologie ont été menées par le Dr Qianqian Ma, chercheur associé et co-auteur principal, dans le laboratoire du Dr Xiaolong Jiang, professeur associé de neurosciences et co-auteur correspondant. Cette approche innovante n'a jamais été utilisée auparavant pour étudier les cellules tumorales cérébrales humaines. « Nous avons été vraiment surpris de découvrir que ces cellules tumorales présentaient une combinaison unique de propriétés morphologiques et électrophysiologiques », a déclaré Ma. « Nous n'avions jamais rien vu de tel dans le cerveau des mammifères auparavant. »
« Nous avons mené toutes ces analyses sur des cellules individuelles. Nous avons analysé leur activité électrophysiologique individuelle. Nous avons extrait le contenu de chaque cellule et séquencé l'ARN pour identifier les gènes actifs dans la cellule, ce qui nous indique de quel type de cellule il s'agit », a déclaré Deneen. « Nous avons également coloré chaque cellule avec des colorants qui permettraient de visualiser ses caractéristiques structurelles. »
L’intégration de cette vaste quantité de données individuelles a obligé les chercheurs à développer une nouvelle façon de les analyser.
Pour définir les cellules à pointes et déterminer leur identité, nous avons développé un outil de calcul – Single Cell Rule Association Mining (SCRAM) – pour annoter chaque cellule individuellement.
Dr. Akdes Serin Harmanci, co-auteur correspondant, professeur adjoint de neurochirurgie à Baylor
« Découvrir que tant de cellules de gliome sont électriquement actives a été une surprise, car cela va à l’encontre d’un concept bien établi en neurosciences selon lequel, de tous les différents types de cellules du cerveau, les neurones sont les seuls à déclencher des impulsions électriques », a déclaré Curry. « D’autres ont suggéré que certaines cellules gliales, appelées cellules précurseurs d’oligodendrocytes (OPC), pourraient déclencher des impulsions électriques dans le cerveau des rongeurs, mais confirmer cela chez l’homme s’est avéré une tâche difficile. Nos résultats montrent que des cellules humaines autres que les neurones peuvent déclencher des impulsions électriques. Étant donné qu’il existe environ 100 millions de ces OPC dans le cerveau adulte, les contributions électriques de ces cellules devraient être étudiées plus en détail. »
« De plus, les analyses complètes des données ont révélé que les cellules hybrides à pointes dans les tumeurs du gliome avaient les propriétés des neurones et des cellules OPC », a déclaré Harmanci. « Il est intéressant de noter que nous avons trouvé des cellules non tumorales qui sont des hybrides neurones-glie, ce qui suggère que cette population hybride joue non seulement un rôle dans la croissance du gliome, mais contribue également au bon fonctionnement du cerveau. »
« Les résultats suggèrent également que la proportion de cellules hybrides à pointes dans le gliome peut avoir une valeur pronostique », a déclaré le Dr Ganesh Rao, co-auteur correspondant, professeur Marc J. Shapiro et président du département de neurochirurgie à Baylor. « Les données montrent que plus un patient possède de cellules hybrides à pointes dans le gliome, meilleur est son pronostic de survie. Ces informations sont d'une grande valeur pour les patients et leurs médecins. »
« Ce travail est le fruit d'une collaboration étroite et égale entre plusieurs disciplines – neurochirurgie, bioinformatique, neurosciences et modélisation du cancer – disciplines fortement soutenues par des groupes de pointe à Baylor », a déclaré Deneen. « Les résultats offrent une meilleure compréhension des tumeurs du gliome et du fonctionnement normal du cerveau, un pipeline bioinformatique sophistiqué pour analyser des populations cellulaires complexes et des implications pronostiques potentielles pour les patients atteints de cette maladie dévastatrice. »
Parmi les autres contributeurs à cet ouvrage figurent Malcolm F. McDonald, Yeunjung Ko, Snigdha Srivastava, Pey-Shyuan Chin, Peihao He, Brittney Lozzi, Prazwal Athukuri, Junzhan Jing, Su Wang, Arif O. Harmanci et Benjamin Arenkiel. Les auteurs sont affiliés à une ou plusieurs des institutions suivantes : Baylor College of Medicine, Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute du Texas Children's Hospital et University of Texas Health Science Center, Houston.
Ce travail a été soutenu par des subventions du NIH (R35-NS132230, R01NS124093, R01CA223388, U01CA281902, R01NS094615, 5T32HL92332-15, F31CA265156 et F99CA274700). Un soutien supplémentaire a été fourni par les subventions d'instruments partagés du NIH (S10OD023469, S10OD025240, P30EY002520) et la subvention CPRIT RP200504.
