En 2020, juste au moment où Jane Baude commençait son doctorat. Des recherches à UC Santa Barbara, elle a appris qu'une composante critique de son expérience – le gel nécessaire pour se développer et tester les cellules épithéliales mammaires – ne serait pas disponible pendant près d'un an en raison de problèmes de production liés à la pandémie. Ainsi, elle et son conseiller, le professeur Ryan Stowers, ont décidé de pivoter: Baude concevoirait son propre gel pour étudier les cellules.
Maintenant, Baude, Stowers et leurs collègues ont créé un gel à base d'algues dans le laboratoire en tant que plate-forme pour étudier les cellules épithéliales mammaires, qui forment des conduits et des glandes productrices de lait dans des tissus mammaires sains et peuvent se transformer en cellules cancéreuses.
Non seulement nous avons créé quelque chose qui peut imiter les gels fabriqués commercialement, mais nous avons pu utiliser ce que nous avons fait à notre avantage pour en savoir plus sur les cellules et le matériel. «
Jane Baude, doctorant, Université de Californie – Santa Barbara
Dans la recherche publiée dans la revue Avancées scientifiquesl'équipe démontre que leur gel soutient avec succès le développement du tissu de la glande mammaire normale et peut être modifié pour diriger comment les cellules se développent. En ajustant les propriétés mécaniques et biochimiques du gel, les chercheurs peuvent en savoir plus sur la façon dont les cellules du corps sont façonnées par leur environnement physique.
Regarder la relation entre les cellules et leur environnement physique peut offrir de nouvelles perspectives sur la façon dont le cancer se développe. Historiquement, la recherche sur le cancer s'est concentrée sur la façon dont les mutations lancent une cascade de signaux qui stimulent la croissance tumorale, a expliqué Stowers.
« L'environnement dans lequel la cellule grandit est tout aussi important que sa génétique », a-t-il déclaré. « Vous pouvez mettre les mêmes cellules dans différents environnements et ils pourraient se comporter comme des cellules normales, ou ils pourraient se comporter comme des cellules malignes invasives, simplement en modifiant le contexte dans lequel ils se développent. »
Leur nouvel environnement de gel peut fournir une nouvelle compréhension de la façon dont les « quartiers » que les cellules habitent dans le corps envoient des cellules dans les voies de développement qui mènent vers le cancer, a déclaré Stowers, qui a des rendez-vous conjoints dans les départements de génie mécanique et de bio-ingénierie.
« Membranes du sous-sol » cellules épithéliales directes
Dans votre corps, le quartier où vivent les cellules épithéliales est appelée la membrane du sous-sol. « Toutes les cellules épithéliales de votre corps sont entourées de ce très mince maillage de protéines qui ancre les cellules en place, fournissant un soutien tout en jouant un rôle important dans la signalisation cellulaire », a déclaré Stowers.
En conséquence, les chercheurs qui étudient les cellules épithéliales du laboratoire ont besoin d'une membrane basale équivalente pour comprendre comment ces cellules agissent dans leur environnement. La plupart des produits de membrane basale reconstitués commercialement produits commercialement fabriqués pour étudier le cancer du sein et les tissus mammaires sont extraits des tumeurs de souris.
Bien que les gels traditionnels soient largement utilisés, « tout le monde sait qu'ils ne sont pas parfaits », a déclaré Stowers, qui a fait des travaux antérieurs avec des gels à base d'algues.
Alors que lui et Baude ont commencé à travailler, il se souvient: « Nous avons pensé, pourquoi n'essayons-nous pas de surmonter certaines de ces limitations? Si nous voulons passer par l'effort de concevoir un nouveau gel, nous pouvons essayer de commencer à zéro et d'ingénierie une certaine accordabilité et modularité dans le système synthétique que nous essayons de développer. »
Membranes au sous-sol raides liées aux tumeurs
Les cellules répondent aux propriétés physiques de ce qui les entoure, que ce soit dans le laboratoire ou dans le corps. Être capable d'ajuster les propriétés d'une membrane en laboratoire, aide les chercheurs à voir comment les cellules réagissent à différents environnements. « Les cellules sont particulièrement mécanosensibles, ils peuvent donc ressentir la différence entre un gel doux et un gel dur, par exemple », a déclaré Stowers, qui concentre ses recherches sur la façon dont les cellules interagissent avec les propriétés mécaniques de leur environnement.
Ces interactions peuvent jouer un rôle dans le cancer. Des recherches récentes ont lié des environnements environnants plus rigides au développement tumoral. « Souvent, lorsque les gens ressentent une bosse raide, ils vont le faire vérifier, sachant intuitivement que cette masse dure, cette bosse raide, est potentiellement mauvaise », a expliqué Stowers. « La glande mammaire est l'un des tissus plus doux du corps, mais une tumeur maligne augmente en fait la raideur à mesure que la maladie progresse. »
Un nouveau gel ajoute de la précision, de la flexibilité
Pour développer la membrane du sous-sol synthétique, Baude a utilisé un gel à base d'algues précédemment étudié et des combinaisons testées de séquences de peptides courtes jusqu'à ce qu'elle corresponde aux capacités de Matrigel, un gel disponible dans le commerce pour étudier les cellules mammaires. Elle et ses collègues ont également varié la réticulation et la longueur des chaînes polymères dans le gel pour modifier sa rigidité et la rapidité avec laquelle il réagit à la force appliquée.
« Nous avons trouvé une combinaison d'indices mécaniques et biochimiques qui fonctionnent bien », a-t-elle déclaré. « Certains des changements que nous avons pu apporter dans le gel nous aident à séparer comment différents types de matrices contribuent au développement cellulaire. » Des modifications supplémentaires ont également permis aux chercheurs d'imiter une matrice qui rend les cellules plus susceptibles de devenir cancéreuses.
Dans les bonnes conditions, les cellules placées dans les gels ont pu fabriquer leurs propres membranes au sous-sol, Stowers a déclaré: « Mais lorsque nous fournissons les mauvais indices, ils commencent à fabriquer d'autres protéines et ne se développent pas de la bonne manière. »
Les Stowers et ses collègues souhaitent explorer dans quelle mesure ils peuvent contrôler les conditions initiales du gel pour façonner le développement des cellules, y compris la possibilité d'utiliser le gel pour développer des tissus et des organes complexes des cellules du patient.
« Nous espérons », a-t-il dit, « qu'en appliquant une approche d'ingénierie à la biologie du développement, nous pouvons découvrir des informations sur la façon de guider la formation de tissus complexes et fonctionnels. »
