La compression physique des cellules peut déclencher la croissance et la division des cellules plus rapidement

Revue par Emily Henderson, B.Sc.14 octobre 2020

Plus les gens sont physiquement proches les uns des autres, plus les chances d'échange, de choses comme les idées, les informations et même l'infection, sont élevées.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et de l'hôpital pour enfants de Boston ont découvert que, même dans l'environnement microscopique d'une seule cellule, le surpeuplement physique augmente les chances d'interactions, d'une manière qui peut modifier considérablement la santé et le développement d'une cellule.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Cellule souche cellulaire, les chercheurs ont montré que la compression physique des cellules et l'encombrement de leur contenu peuvent déclencher la croissance et la division des cellules plus rapidement qu'elles ne le feraient normalement.

Bien que presser quelque chose pour le faire grandir puisse sembler contre-intuitif, l'équipe a une explication: presser agit pour essorer de l'eau d'une cellule. Avec moins d'eau pour nager, les protéines et les autres constituants cellulaires se rapprochent.

Et lorsque certaines protéines sont rapprochées, elles peuvent déclencher la signalisation cellulaire et activer des gènes dans la cellule.

Dans leur nouvelle étude, les scientifiques ont découvert que la compression des cellules intestinales déclenchait la regroupement des protéines le long d'une voie de signalisation spécifique, ce qui peut aider les cellules à maintenir leur état de cellule souche, un état indifférencié dans lequel peuvent rapidement se développer et se diviser en cellules plus spécialisées.

Ming Guo, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, dit que si les cellules peuvent simplement être pressées pour promouvoir leur «tige», elles peuvent alors être amenées à construire rapidement des organes miniatures, tels que des intestins artificiels ou des deux points, qui pourraient ensuite être utilisés comme plates-formes pour comprendre le fonctionnement des organes et tester des candidats-médicaments pour diverses maladies, et même comme greffes pour la médecine régénérative.

Les co-auteurs de Guo sont les auteurs principaux Yiwei Li, Jiliang Hu et Qirong Lin du MIT, et Maorong Chen, Ren Sheng et Xi He du Boston Children's Hospital.

Emballé dans

Pour étudier l'effet de la compression sur les cellules, les chercheurs ont mélangé divers types de cellules dans des solutions qui se sont solidifiées sous forme de plaques caoutchouteuses d'hydrogel. Pour presser les cellules, ils ont placé des poids sur la surface de l'hydrogel, sous la forme d'un quart ou d'un centime.

Nous voulions obtenir un changement significatif de taille de cellule, et ces deux poids peuvent comprimer la cellule d'environ 10 à 30 pour cent de leur volume total. « 

Ming Guo, professeur agrégé de génie mécanique, Massachusetts Institute of Technology

L'équipe a utilisé un microscope confocal pour mesurer en 3D comment les formes des cellules individuelles changeaient lorsque chaque échantillon était compressé. Comme ils s'y attendaient, les cellules ont rétréci avec la pression. Mais la compression affectait-elle également le contenu de la cellule?

Pour répondre à cela, les chercheurs ont d'abord cherché à voir si la teneur en eau d'une cellule avait changé. Si la compression agit pour essorer l'eau d'une cellule, les chercheurs ont estimé que les cellules devraient être moins hydratées et plus rigides en conséquence.

Ils ont mesuré la rigidité des cellules avant et après l'application des poids, à l'aide de pinces optiques, une technique laser que le laboratoire de Guo utilise depuis des années pour étudier les interactions au sein des cellules, et ont constaté qu'en effet, les cellules se rigidifiaient avec la pression.

Ils ont également vu qu'il y avait moins de mouvement à l'intérieur des cellules qui étaient pressées, ce qui suggère que leur contenu était plus emballé que d'habitude.

Ensuite, ils ont cherché à savoir s'il y avait des changements dans les interactions entre certaines protéines dans les cellules, en réponse à la compression des cellules. Ils se sont concentrés sur plusieurs protéines connues pour déclencher la signalisation Wnt / β-caténine, impliquée dans la croissance cellulaire et le maintien de la «tige».

«En général, cette voie est connue pour rendre une cellule plus semblable à une cellule souche», explique Guo. «Si vous modifiez l'activité de cette voie, il a été démontré que la progression du cancer et le développement des embryons sont très différents. Nous avons donc pensé que nous pourrions utiliser cette voie pour démontrer à quel point le surpeuplement cellulaire est important.

Un parcours «rafraîchissant»

Pour voir si la compression cellulaire affecte la voie Wnt et à quelle vitesse une cellule se développe, les chercheurs ont cultivé de petits organoïdes – des organes miniatures, et dans ce cas, des grappes de cellules qui ont été collectées dans les intestins de souris.

«La voie Wnt est particulièrement importante dans le côlon», explique Guo, soulignant que les cellules qui tapissent l'intestin humain sont constamment reconstituées. La voie Wnt, dit-il, est essentielle pour maintenir les cellules souches intestinales, générer de nouvelles cellules et «rafraîchir» la muqueuse intestinale.

Lui et ses collègues ont cultivé des organoïdes intestinaux, chacun mesurant environ un demi-millimètre, dans plusieurs boîtes de Pétri, puis «pressé» les organoïdes en infusant les boîtes avec des polymères. Cet afflux de polymères a augmenté la pression osmotique entourant chaque organoïde et a chassé l'eau de leurs cellules.

L'équipe a observé qu'en conséquence, des protéines spécifiques impliquées dans l'activation de la voie Wnt étaient regroupées plus près et étaient plus susceptibles de se regrouper pour activer la voie et ses gènes régulateurs de croissance.

Le résultat: les organoïdes qui ont été pressés ont en fait grossi et plus rapidement, avec plus de cellules souches à leur surface que celles qui n'ont pas été pressées.

«La différence était très évidente», dit Guo. « Chaque fois que vous appliquez une pression, les organoïdes deviennent encore plus gros, avec beaucoup plus de cellules souches. »

Il dit que les résultats démontrent comment la compression peut affecter la croissance d'un organoïde. Les résultats montrent également que le comportement d'une cellule peut changer en fonction de la quantité d'eau qu'elle contient.

«C'est très général et large, et l'impact potentiel est profond, que les cellules peuvent simplement régler la quantité d'eau dont elles disposent pour régler leurs conséquences biologiques», dit Guo.

À l'avenir, lui et ses collègues prévoient d'explorer la compression cellulaire comme moyen d'accélérer la croissance d'organes artificiels que les scientifiques pourraient utiliser pour tester de nouveaux médicaments personnalisés.

«Je pourrais prendre mes propres cellules et les transfecter pour en faire des cellules souches qui peuvent ensuite être développées en un poumon ou un organoïde intestinal qui imiterait mes propres organes», explique Guo. « Je pourrais alors appliquer différentes pressions pour fabriquer des organoïdes de tailles différentes, puis essayer différents médicaments. J'imagine qu'il y aurait beaucoup de possibilités. »