À mesure que nous vieillissons, certaines cellules de notre corps entrent dans un état de sénescence, dans lequel elles cessent de se diviser mais ne meurent pas. Ces cellules sénescentes peuvent contribuer à des troubles liés à l’âge tels que le cancer, la dégénérescence tissulaire et les maladies inflammatoires.
Dans une avancée qui pourrait conduire à de meilleures façons de diagnostiquer et de traiter ces maladies, les chercheurs du MIT ont développé une méthode non invasive pour détecter les biomarqueurs de la sénescence. Leur méthode est basée sur la microscopie Raman, qui permet de révéler la composition biochimique des cellules sans les endommager.
En combinant la microscopie Raman avec des données d’expression génique à résolution unicellulaire provenant des mêmes cellules, les chercheurs ont pu identifier des « codes-barres » uniques qui peuvent être utilisés pour identifier rapidement les cellules sénescentes. Cette étude a été réalisée sur des cellules de souris, mais les chercheurs travaillent actuellement à son adaptation pour une utilisation avec des tissus humains.
Vous pouvez imaginer qu’un jour nous pourrions développer un endoscope capable d’examiner l’intérieur de votre corps et d’identifier la sénescence cellulaire. »
Jeon Woong Kang, chercheur scientifique au MIT et l’un des auteurs principaux de l’étude
La recherche fait partie d’une initiative des National Institutes of Health appelée Cellular Senescence Network, qui cherche à mieux comprendre la sénescence dans l’espoir de développer des thérapies qui pourraient combattre certains des effets dommageables des cellules sénescentes sur les tissus.
Peter So, directeur du MIT Laser Biomedical Research Center (LBCR) et professeur de génie biologique et de génie mécanique au MIT, et Jian Shu, professeur adjoint au Massachusetts General Hospital (MGH) et à la Harvard Medical School, et membre associé du Broad Institute et du Ragon Institute, sont également les auteurs principaux de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Vieillissement naturel. Les auteurs principaux de l’article sont Ke Zhang, instructeur au MGH et à la Harvard Medical School ; Xingjian Chen, postdoctorant au MGH et à la Harvard Medical School ; Francesco Monticolo, postdoctorant au MGH et à la Harvard Medical School ; et Salvatore Sorrentino, postdoctorant au MIT.
Caractériser la sénescence
La sénescence cellulaire est souvent déclenchée par des dommages à l’ADN, qui conduisent à un arrêt irréversible du cycle cellulaire. Ces cellules ne meurent pas, mais elles subissent des changements importants dans leur forme, leurs processus métaboliques et leurs profils d’expression génique.
Le système immunitaire est responsable de l’élimination de ces « cellules zombies », mais à mesure que les gens vieillissent, ce processus devient moins efficace. Lorsque les cellules sénescentes s’accumulent, elles peuvent contribuer au relâchement cutané, à la faiblesse musculaire et à des maladies chroniques telles que l’arthrose et le diabète de type 2.
La sénescence cellulaire a également des effets bénéfiques, jouant un rôle essentiel dans le développement embryonnaire et la régénération des tissus.
« La sénescence n’est pas seulement un état pathologique », dit So. « L’idée derrière le NIH Cellular Senescence Network est d’adopter une approche très globale pour comprendre la sénescence et identifier les cellules sénescentes, car elles jouent un rôle dans de nombreuses conditions physiologiques normales et dans de nombreuses conditions pathologiques. »
Les scientifiques ont déjà identifié quelques biomarqueurs de la sénescence, dont deux protéines appelées p16 et p21, impliquées dans l’arrêt du cycle cellulaire. Cependant, ces protéines ne peuvent être identifiées qu’à l’aide d’un processus qui finit par détruire les cellules.
L’équipe du MIT souhaitait trouver un moyen d’identifier de manière non invasive les cellules sénescentes à l’aide de la microscopie Raman. Contrairement au séquençage de l’ARN, qui consomme les cellules au fur et à mesure de leur analyse, la microscopie Raman est une technique non destructive qui révèle la composition chimique des tissus ou des cellules en projetant sur eux une lumière proche infrarouge ou visible.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé la microscopie Raman en conjonction avec le séquençage spatial de l’ARN – une technique qui révèle où les gènes sont actifs dans un tissu – pour identifier de nouveaux marqueurs de sénescence. En combinant ces deux techniques, ils ont pu générer une image beaucoup plus large des caractéristiques distinctives des cellules sénescentes, notamment les niveaux d’expression des gènes, la localisation spatiale et d’autres informations biochimiques.
« Notre idée était d’examiner de nombreuses caractéristiques différentes pour caractériser la sénescence. C’est pourquoi nous avons voulu combiner à la fois l’expression des gènes unicellulaires et la microscopie Raman, afin de pouvoir caractériser la sénescence à partir de deux points de vue complémentaires », explique Shu.
En utilisant les deux méthodes d’analyse, les chercheurs ont examiné les tissus cutanés et pulmonaires de souris âgées de 2 mois et de souris âgées de 26 mois.
L’un des changements les plus spectaculaires observés dans les cellules pulmonaires et cutanées a été une augmentation de la synthèse lipidique dans les cellules plus âgées, ainsi qu’une accumulation de lipides. Selon les chercheurs, on ne sait pas encore comment cela affecte la physiologie des cellules.
Les chercheurs ont également constaté des effets spécifiques à chaque tissu. Dans les cellules sénescentes de la peau, ils ont découvert que les voies cellulaires associées à la contraction musculaire et au remodelage du collagène et de la matrice extracellulaire étaient significativement affectées. Et dans les tissus pulmonaires âgés, ils ont découvert une activité accrue des gènes impliqués dans l’activation immunitaire et l’inflammation.
Dans le cadre de travaux futurs, les chercheurs espèrent étudier davantage le rôle que jouent ces changements dans les cellules sénescentes.
Identifier les cellules sénescentes
Grâce à ces données, les chercheurs ont pu identifier des combinaisons de pics Raman en corrélation avec la sénescence. Ces pics, qui représentent des liaisons chimiques spécifiques, sont liés à la présence de certains lipides, protéines ou autres molécules.
« En combinant les caractéristiques Raman les plus importantes avec les signatures génétiques les plus importantes, nous avons pu créer un code-barres qui peut nous aider à identifier les cellules sénescentes de manière plus impartiale », explique Sorrentino. « En utilisant ce code-barres, nous pouvons nous concentrer sur quelques bandes Raman qui se sont révélées être les plus informatives de ce travail. » Grâce à ces bandes, il pourrait être possible d’identifier les cellules sénescentes en recherchant uniquement ces bandes du spectre Raman. Cela pourrait aider à permettre des diagnostics permettant de détecter les cellules devenues sénescentes.
Pour rendre cela possible, les chercheurs travaillent actuellement sur une version plus rapide de leur système d’imagerie Raman. Actuellement, il faut environ 30 heures pour analyser un échantillon de tissu d’environ un millimètre carré, mais ils espèrent développer un système capable de détecter rapidement les codes-barres Raman qu’ils ont identifiés à partir d’échantillons plus grands.
La recherche a été financée par les National Institutes of Health et le Massachusetts General Hospital.
