Des chercheurs développent le premier modèle numérique de cellules cancéreuses au monde

Le modèle informatique, développé sous la direction de chercheurs de la TU Graz, simule les changements cycliques du potentiel membranaire d’une cellule cancéreuse en utilisant l’exemple de l’adénocarcinome pulmonaire humain et ouvre des voies complètement nouvelles dans la recherche sur le cancer.

Les modèles informatiques sont des outils standard dans la recherche biomédicale fondamentale depuis de nombreuses années. Cependant, environ 70 ans après la première publication d’un modèle de courant ionique d’une cellule nerveuse par Hodgkin & Huxley en 1952, des chercheurs de l’Université de technologie de Graz (TU Graz), en collaboration avec l’Université de médecine de Graz et le Memorial Sloan Kettering Cancer Center à New York, ont finalement réussi à développer le premier modèle de cellules cancéreuses au monde, lançant ainsi « un outil essentiel pour la recherche moderne sur le cancer et le développement de médicaments », se réjouit Christian Baumgartner. Le directeur de l’Institute of Health Care Engineering avec le European Testing Center of Medical Devices de la TU Graz est l’auteur principal de la publication dans laquelle le modèle numérique est présenté dans la revue. Biologie computationnelle PLoS.

Cellules excitables et non excitables

Les modèles cellulaires numériques se sont jusqu’à présent concentrés sur les cellules excitables telles que les cellules nerveuses ou musculaires cardiaques, permettant la simulation de processus électrophysiologiques non seulement au niveau cellulaire, mais également au niveau des tissus et des organes. Ces modèles sont déjà utilisés pour soutenir le diagnostic et la thérapie dans la pratique clinique quotidienne. L’équipe de recherche internationale dirigée par Baumgartner s’est concentrée pour la première fois sur les propriétés électrophysiologiques spécifiques des cellules cancéreuses non excitables.

Dans les cellules excitables, un stimulus électrique déclenche des potentiels d’action. Cela conduit à des changements à court terme du potentiel électrique d’une durée de quelques millisecondes au niveau de la membrane cellulaire qui transmettent des informations « électriques » de cellule à cellule. Grâce à ce mécanisme, les réseaux de neurones communiquent ou le muscle cardiaque est activé, qui se contracte en conséquence. Il est connu d’après des études expérimentales que les cellules « non excitables » présentent également des fluctuations caractéristiques de potentiel au niveau de la membrane cellulaire. Cependant, par rapport aux cellules excitables, les changements potentiels se produisent très lentement et sur tout le cycle cellulaire, c’est-à-dire sur des heures et des jours, et servent de signal pour la transition entre les différentes phases du cycle cellulaire », explique Christian Baumgartner. En collaboration avec le député à la tête de l’institut, Theresa Rienmüller, et à la doctorante Sonja Langthaler, Christian Baumgartner a été le premier à poursuivre l’idée de développer un modèle de simulation de ces mécanismes.

Exemple de tumeur pulmonaire

Les modifications pathologiques de la tension de la membrane cellulaire, en particulier au cours du cycle cellulaire, sont fondamentales pour le développement et la progression du cancer. Sonja Langthaler poursuit en détail : « Les canaux ioniques relient l’extérieur à l’intérieur d’une cellule. Ils permettent l’échange d’ions tels que le potassium, le calcium ou le sodium et régulent ainsi le potentiel membranaire. Les modifications de la composition des canaux ioniques, ainsi que un comportement fonctionnel altéré de celui-ci peut entraîner des perturbations de la division cellulaire, pouvant même affecter la différenciation cellulaire et ainsi transformer une cellule saine en une cellule malade (cancérigène).

Pour leur modèle numérique de cellules cancéreuses, l’équipe a choisi l’exemple de la lignée cellulaire d’adénocarcinome pulmonaire humain A549. Le modèle informatique simule l’oscillation rythmique du potentiel membranaire pendant la transition entre les phases du cycle cellulaire et permet de prédire les changements de potentiel membranaire qui sont provoqués par l’activation et la désactivation induite par le médicament de canaux ioniques sélectionnés. « Nous obtenons donc des informations sur les effets des interventions ciblées sur la cellule cancéreuse », ajoute Baumgartner.

« Congeler » les cellules cancéreuses pendant la croissance ou les inciter au suicide

L’activité de certains canaux ioniques peut également entraîner la division des cellules malades et ainsi accélérer la croissance tumorale. Si les canaux ioniques sont désormais manipulés de manière ciblée, comme c’est le cas avec de nouveaux agents et médicaments prometteurs, la tension de la membrane cellulaire et donc l’ensemble du système électrophysiologique peuvent être déviés, pour ainsi dire. « Cela pourrait être utilisé pour arrêter les cellules cancéreuses à une certaine phase du cycle cellulaire, mais aussi pour induire une mort cellulaire prématurée (apoptose). On pourrait « congeler » les cellules cancéreuses pendant leur croissance ou les inciter à se suicider. Et c’est précisément de tels mécanismes qui peuvent être simulés à l’aide de modèles. » Baumgartner et son équipe voient le premier modèle numérique de cellules cancéreuses comme le début d’une recherche plus complète. Afin d’augmenter le niveau de détail du modèle, des plans pour d’autres validations expérimentales et de mesure ont été élaborés et soumis au Fonds autrichien pour la science FWF pour financement.