Dans cet entretien, Actualités Médical-Sciences de la Vie parle avec Teemu Miettinenbiologiste cellulaire à Institut de technologie du Massachusettssur la recherche sur mesurer l'eau intracellulaire et son impact sur la fonction cellulaire et la maladie. S'appuyant sur une nouvelle méthodologie, Miettinen explique comment la teneur en eau influence les réactions biochimiques, la croissance cellulaire et les recherches émergentes en cancer, immunologieet au-delà.
Sommaire
Pouvez-vous s'il vous plaît vous présenter ainsi que votre rôle au MIT ?
Je m'appelle Teemu Miettinen. Je suis originaire de Finlande, où j'ai effectué mes études de premier cycle et de maîtrise, avant de déménager en Écosse pour mon doctorat, axé sur la régulation de la taille des cellules.
Depuis dix ans, je travaille au Massachusetts Institute of Technology, où je mène des recherches pour comprendre comment les cellules régulent leur taille, leur croissance et leur composition.
De formation, je suis biologiste cellulaire et biochimiste, mais mon travail est centré sur la biologie cellulaire fondamentale et sur le développement de nouvelles méthodes pour mesurer les propriétés biophysiques des cellules.
L’une des questions clés qui motivent mes recherches concerne l’importance réelle de la taille des cellules. La taille des cellules du corps humain peut varier énormément, allant jusqu'à sept ordres de grandeur, et il existe une variabilité de taille même au sein d'un type cellulaire donné. Pourtant, nous ne comprenons toujours pas pleinement l’impact de cette variation sur la fonction cellulaire, comme la capacité d’une cellule à se développer. Ce que nous comprenons beaucoup mieux, c'est l'aspect moléculaire, en particulier le fait que la concentration de molécules à l'intérieur des cellules est essentielle aux processus biologiques. Et ces concentrations changent parfois avec la taille des cellules.
C’est là que la composition cellulaire devient importante. Mon travail vise à comprendre de quoi est fondamentalement constituée une cellule, et une partie centrale de cette question est une question très fondamentale mais étonnamment peu étudiée : quelle quantité d’eau se trouve réellement à l’intérieur d’une cellule et comment celle-ci est régulée.
Vue microscopique de tissus composés de cellules densément peuplées, mettant en évidence l'organisation et la structure complexes qui sous-tendent la fonction cellulaire et les processus biologiques. Pourtant, la majeure partie de cette masse tissulaire est constituée d’eau, et la quantité d’eau est essentielle au fonctionnement des tissus. Crédit image : Photographe Sinhyu/Shutterstock.com
Pourquoi la teneur en eau intracellulaire est-elle si importante pour le fonctionnement cellulaire ?
La teneur en eau est fondamentale car elle détermine directement la concentration de chaque molécule à l’intérieur d’une cellule. Étant donné que les réactions biochimiques dépendent des concentrations d’enzymes et de substrats, la modification de la concentration en eau modifie les taux de réaction dans toute la cellule.
À mesure que la teneur en eau diminue, les concentrations augmentent, ce qui peut accélérer les réactions jusqu'à un certain point. Cependant, il existe également un effet inverse. À mesure que la cellule devient plus peuplée de molécules, la diffusion ralentit, en particulier pour les molécules plus grosses et les complexes macromoléculaires.
Cela crée un équilibre. Trop peu d’eau entraîne un encombrement et une diffusion plus lente, tandis que trop d’eau dilue les molécules et réduit l’efficacité de la réaction. En conséquence, chaque processus cellulaire peut avoir sa propre teneur en eau optimale, en fonction de sa sensibilité à la concentration et à la diffusion.1
Quels défis ont historiquement limité la mesure de la teneur en eau cellulaire ?
Les méthodes traditionnelles de mesure de la teneur en eau ne sont pas bien adaptées aux systèmes biologiques. Par exemple, peser et sécher des échantillons nécessite de grandes quantités de matériaux et détruit les échantillons. D'autres approches, telles que l'imagerie basée sur la spectroscopie Raman, peuvent détecter l'eau mais ont du mal à faire la distinction entre l'eau à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule, d'autant plus que les cellules sont généralement entourées d'environnements aqueux.
De plus, les méthodes d’imagerie peuvent être limitées lorsqu’on travaille avec des échantillons biologiques plus épais ou plus complexes, ce qui rend difficile l’obtention de mesures précises dans des systèmes physiologiquement pertinents. C’est pourquoi nous avions besoin d’une approche qui ne s’appuie pas sur des techniques indirectes ou destructives, mais qui mesure plus directement les propriétés physiques fondamentales, telles que la masse.
Quelle nouvelle méthode vous et votre équipe avez développée pour surmonter ces limitations ?
Nous avons développé une méthode basée sur la mesure de la masse flottante des cellules dans différentes solutions. L'approche consiste à peser un échantillon plusieurs fois dans différents fluides, dont un contenant de l'eau lourde, également connue sous le nom de oxyde de deutérium.
Pour ce faire, nous utilisons un système de détection inertielle.2 En termes simples, nous faisons circuler l’échantillon dans un petit tube métallique vibrant. Lorsque le tube vibre, il a une fréquence de résonance naturelle, et lorsqu’une cellule ou un organoïde le traverse, même une infime augmentation de masse provoque un changement mesurable de cette fréquence. C'est très similaire à la façon dont une corde de guitare produit une tonalité plus grave lorsqu'elle devient plus lourde. En suivant précisément ces changements de fréquence, nous pouvons déterminer la masse flottante de l’échantillon avec une sensibilité élevée.
En répétant la mesure dans différentes solutions, nous pouvons rétrocalculer la teneur en eau de l'échantillon en termes absolus et relatifs (volume/volume), ainsi que d'autres propriétés physiques, telles que la masse sèche.
Il est important de noter que cette méthode ne détruit pas l’échantillon et nous permet d’étudier des systèmes biologiques plus complexes et physiologiquement pertinents, tels que les sphéroïdes et organoïdes tumoraux.
En quoi votre technique diffère-t-elle des technologies précédentes en termes d’accessibilité ?
Nos travaux antérieurs sur la teneur en eau intracellulaire reposaient sur des capteurs de masse unicellulaires hautement spécialisés qui sont extrêmement puissants, mais nécessitent des composants sur mesure, une expertise significative pour fonctionner et ne sont pas quelque chose que la plupart des laboratoires peuvent mettre en œuvre de manière réaliste.
C'est en fait quelque chose que j'ai toujours trouvé un peu frustrant. J'ai eu la chance de travailler dans un endroit où nous pouvons effectuer ce genre de mesures, mais en même temps, cela signifie que la plupart des autres biologistes ne le peuvent tout simplement pas.
Avec cette nouvelle approche, nous voulions nous éloigner de cela. L’idée principale était de construire quelque chose de beaucoup plus accessible en termes de matériel. En principe, tous les composants que nous utilisons sont disponibles dans le commerce. Vous pouvez vous les procurer auprès de fournisseurs standards, souvent même auprès de fabricants extérieurs au secteur scientifique hautement spécialisé.
Bien entendu, un savoir-faire en ingénierie reste nécessaire pour assembler et optimiser correctement le système, notamment pour contrôler les vibrations et garantir la précision des mesures. Mais il n’y a rien de fondamentalement personnalisé ou de coût prohibitif dans le matériel. L’espoir est que cette approche permettra à d’autres laboratoires d’adopter des mesures de la teneur en eau et de commencer à explorer ces questions plus largement.
Quel est le lien entre la teneur en eau intracellulaire et la biologie du cancer ?
Chaque réaction dans la cellule a probablement sa propre teneur en eau optimale. Nous savons déjà, grâce à de nombreuses études, que si vous modifiez la teneur en eau d'une cellule, par exemple en ajustant l'osmolarité externe, vous pouvez directement affecter la vitesse de croissance de cette cellule. Vous pouvez extraire l’eau de la cellule ou en laisser entrer davantage, et cela seul modifiera son taux de croissance. Une grande partie de ce travail n’a pas nécessairement été réalisée spécifiquement sur des modèles de cancer, mais les mêmes principes s’appliquent à toute la biologie, même dans des systèmes très simples comme les bactéries.
Une hypothèse assez simple est donc que les cellules cancéreuses ont adopté une teneur en eau intracellulaire différente pour soutenir leurs taux de croissance élevés.
Nous constatons déjà quelque chose de similaire dans le système immunitaire. Par exemple, les cellules T qui ne se développent pas activement ont tendance à avoir une teneur en eau relativement faible, autour de 60 %. Mais lorsqu’ils s’activent et commencent à proliférer, leur teneur en eau augmente considérablement, allant jusqu’à 80 %.
Il existe donc un lien clair entre plusieurs systèmes entre la teneur en eau et la croissance. Nous nous attendrions à ce que les cellules cancéreuses suivent le même type de relation. Si tel est le cas, cela suggère également quelque chose de plus pratique. Si vous parvenez à perturber la teneur en eau d’une cellule cancéreuse, vous perturberez probablement également sa croissance.
Au-delà du cancer, quels autres domaines pourraient bénéficier de cette recherche ?
Nous nous intéressons actuellement beaucoup au système immunitaire, car c'est un autre domaine dans lequel nous savons que la régulation de la teneur en eau joue un rôle dans la croissance et le fonctionnement. Mais de manière plus générale, vous pouvez choisir presque n’importe quel système biologique, et la teneur en eau est probablement pertinente.
Ce qui est intéressant avec cette méthode, c'est qu'elle fonctionne à des échelles de taille très différentes. Nous l’avons montré dans les sphéroïdes tumoraux, mais en principe, on pourrait aller beaucoup plus loin. Vous pourriez imaginer mesurer des organismes entiers, comme un tardigrade, qui peut survivre à une déshydratation extrême, ou même de petits animaux comme C. elegans. Nous développons également des versions miniaturisées de la méthode, afin qu’elle fonctionne pour des cellules uniques. En fait, nous avons déjà constaté une régulation radicale de la teneur en eau de certaines algues marines, où la régulation de l’eau pourrait influencer la flottabilité cellulaire et la photosynthèse.3
Et comme la méthode est non invasive, vous pouvez mesurer le même échantillon à plusieurs reprises au fil du temps. Cela signifie que vous pouvez commencer à suivre l'évolution de la teneur en eau au cours de la croissance ou en réponse à différentes conditions ou perturbations, ce qui n'était pas vraiment possible auparavant.
Quelle était l’importance de la collaboration interdisciplinaire dans ce travail ?
Cette recherche n’aurait pas été possible sans une approche interdisciplinaire. Je travaille au sein d'un laboratoire qui est, à la base, un laboratoire d'ingénierie. Il se concentre sur le cancer, mais il l'aborde en créant de nouveaux outils. Et j'arrive en tant que biologiste cellulaire avec des questions auxquelles il a été très difficile de répondre avec les méthodes existantes.
Il faut donc vraiment les deux côtés. Vous avez besoin de personnes capables de construire des systèmes de mesure et de personnes qui comprennent suffisamment bien la biologie pour poser les bonnes questions.
Et il ne s’agit pas non plus d’un seul type d’ingénierie. Il y a le génie mécanique, le génie électrique, et puis il faut aussi bien réfléchir à l'analyse des données, car lorsque vous développez une méthode complètement nouvelle, il n'y a pas vraiment de pipeline établi à suivre.
Je pense qu'un bon exemple de ce travail interdisciplinaire est que la plupart des biologistes cellulaires n'envisageraient pas de peser une cellule dans de l'eau lourde, et les ingénieurs travaillant avec des systèmes biologiques n'arriveraient pas nécessairement non plus à cette idée. Cela vient vraiment de la combinaison de ces différentes perspectives. Et bien sûr, de nombreuses personnes y ont contribué au fil des années.
Comment voyez-vous cette technique évoluer dans le futur ?
L’un des aspects les plus intéressants est que la méthode ne détruit pas l’échantillon. Cela ouvre immédiatement de nombreuses possibilités.
Vous pouvez commencer à combiner les mesures de teneur en eau avec d’autres types d’analyse. Par exemple, vous pouvez effectuer une imagerie à haute teneur en parallèle ou examiner la relation entre la structure d'un sphéroïde tumoral et sa teneur en eau. Vous pouvez également imaginer appliquer cela dans des contextes plus automatisés, comme dans le développement de médicaments, où vous testez la manière dont différents composés influencent la teneur en eau cellulaire.
Et au-delà de cela, vous pouvez le combiner avec des approches omiques, par exemple en examinant simultanément la composition protéomique.
En réalité, le point clé est qu’une fois l’échantillon resté intact, vous n’êtes plus limité à une seule mesure. Vous pouvez commencer à superposer différents types de données les unes sur les autres, ce qui ouvre de nombreuses directions sur la façon dont cela pourrait évoluer à l’avenir.
Nous explorons de nombreuses orientations futures pour ce travail, mais j'espère que d'autres pourront se joindre à nous dans cette exploration maintenant que nous disposons enfin de davantage d'outils pour étudier la teneur en eau.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations ?
À propos de Teemu Miettinen
Teemu P. Miettinen, PhD, est chercheur scientifique au Koch Institute for Integrative Cancer Research du Massachusetts Institute of Technology. Il dirige des recherches visant à comprendre comment la taille, la croissance et la composition des cellules sont régulées et interconnectées. La recherche utilise divers systèmes modèles allant du cancer humain aux cellules immunitaires en passant par le plancton unicellulaire. Il travaille également conjointement avec le laboratoire du professeur Scott Manalis, développant de nouvelles mesures biophysiques pour des applications biomédicales.
Ses recherches actuelles sont financées par le NIH, il est co-détenteur de deux brevets sur les technologies de mesure et il est l'auteur de plusieurs dizaines d'articles de recherche sur la régulation de la taille, de la croissance et de la composition des cellules.
