Un échantillon de sang de routine contient un ensemble diversifié de cellules immunitaires qui peuvent révéler des indices importants sur la santé et la maladie. Ces cellules, connues sous le nom de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC), sont largement utilisées pour étudier les infections, les maladies auto-immunes, le cancer et la réponse du système immunitaire au traitement. Les scientifiques identifient généralement ces cellules à l’aide de marqueurs fluorescents qui se fixent sur des marqueurs de surface spécifiques. Bien qu’efficaces, ces méthodes fournissent des informations limitées sur le fonctionnement des cellules et peuvent altérer les cellules pendant la préparation. Comme indiqué dans Découverte de la biophotoniqueune étude récente montre comment l’imagerie optique avancée peut révéler une couche d’informations auparavant inaccessible : l’activité métabolique de cellules immunitaires individuelles dans un échantillon de sang complexe.
« Les PBMC peuvent être isolées cliniquement très facilement et elles sont déjà utilisées dans le flux de travail clinique », explique Melissa Skala du Morgridge Institute for Research et de l’Université du Wisconsin-Madison, auteur principal de l’étude. « Alors, la question est : que pouvons-nous obtenir d’eux que nous n’obtenons pas déjà ? »
Cette question revêt une pertinence clinique croissante. Les PBMC sont régulièrement étudiées dans des conditions allant des cancers du sang et de la septicémie au lupus et au déclin cognitif. Ils servent également de matière première à des thérapies cellulaires telles que les traitements par cellules CAR T, qui modifient les propres cellules immunitaires d’un patient pour attaquer le cancer. Comprendre non seulement le nombre de cellules immunitaires présentes, mais aussi leur niveau d’activité et leur adéquation métabolique pourrait fournir de nouvelles informations sur la progression de la maladie et la réponse au traitement.
Traditionnellement, mesurer le métabolisme des cellules immunitaires nécessite soit d’isoler des populations cellulaires spécifiques, soit d’ajouter des marqueurs fluorescents et des sondes chimiques. Ces approches peuvent modifier les cellules, consommer des échantillons ou ne pas réussir à comprendre le comportement des différents types de cellules. En revanche, la nouvelle étude démontre une méthode non destructive qui mesure le métabolisme des cellules immunitaires individuelles alors qu’elles font partie d’un échantillon hétérogène de PBMC.
Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé l’imagerie métabolique optique (OMI), une technique développée et perfectionnée par le Skala Lab. OMI s’appuie sur la fluorescence naturelle des molécules impliquées dans la production d’énergie cellulaire. Plutôt que d’introduire des colorants externes, la méthode utilise la microscopie à deux photons pour exciter les cofacteurs métaboliques naturels à l’intérieur des cellules et mesurer la durée pendant laquelle ils émettent de la lumière. Ces durées de vie de fluorescence fournissent des informations sur le métabolisme cellulaire et l’état d’activation. Parce que l’approche utilise des signaux endogènes, les cellules restent intactes et disponibles pour des analyses supplémentaires ou une utilisation thérapeutique.
L’équipe a appliqué l’OMI à des échantillons de PBMC isolés du sang de trois donneurs sains. Ils ont ensuite analysé des milliers de cellules individuelles, à la fois au repos et activées. Des algorithmes d’apprentissage automatique ont été utilisés pour déterminer si les mesures métaboliques pouvaient à elles seules identifier différentes populations de cellules immunitaires et détecter l’activation immunitaire.
Les résultats ont montré que le métabolisme constitue un indicateur puissant de l’identité et de la fonction des cellules immunitaires. Les chercheurs ont distingué les PBMC activées des PBMC au repos avec une précision de près de 94 %, seulement deux heures après la stimulation. Ils ont également identifié les monocytes, cellules clés du système immunitaire inné, avec une précision de 96 % dans les échantillons au repos et de 88 % dans les échantillons activés. Les cellules tueuses naturelles (NK) ont été identifiées avec une précision d’environ 74 pour cent dans les deux États.
Les résultats mettent en évidence l’importance du métabolisme des cellules immunitaires. Bien que le nombre de cellules immunitaires soit déjà utilisé comme marqueur de diagnostic, le métabolisme fournit des informations supplémentaires indiquant si les cellules sont actives, au repos ou réagissent à une menace. L’étude a révélé que les monocytes et les cellules NK ont des signatures métaboliques particulièrement distinctes, reflétant probablement leur rôle de répondeur rapide dans le système immunitaire. En revanche, les lymphocytes T et les lymphocytes B, qui entraînent des réponses immunitaires adaptatives plus spécialisées, ont présenté des profils métaboliques plus similaires dans les conditions expérimentales.
Il est important de noter que l’approche unicellulaire a révélé une hétérogénéité substantielle au sein de la population de cellules immunitaires. Certaines cellules, comme les monocytes, présentaient des niveaux élevés d’activité métabolique tandis que d’autres restaient métaboliquement calmes. Ces différences seraient masquées par des mesures globales qui font la moyenne des signaux sur un échantillon entier. En mesurant le métabolisme au niveau de cellules individuelles, l’OMI fournit une image plus détaillée du fonctionnement du système immunitaire.
La nature non destructive de la technique pourrait être particulièrement intéressante pour les applications de thérapie cellulaire. Les méthodes actuelles d’évaluation du métabolisme cellulaire nécessitent souvent des réactifs ou des étapes de traitement susceptibles de modifier le comportement cellulaire. OMI, en revanche, laisse les cellules viables après analyse, créant ainsi des opportunités pour évaluer la qualité des cellules avant de fabriquer des produits thérapeutiques. Les PBMC sont couramment utilisées comme matière première pour les thérapies à base de cellules CAR T et d’autres traitements de cellules immunitaires, ce qui rend l’évaluation de la condition physique cellulaire avant le traitement une possibilité intéressante.
Les chercheurs soulignent que la technologie reste avant tout un outil de recherche et n’atteint pas encore la précision des méthodes d’étiquetage établies pour identifier chaque sous-type de cellules immunitaires. Cependant, sa capacité unique à mesurer le métabolisme unicellulaire sans modifier les échantillons en fait un complément précieux aux approches existantes.
Pour l’avenir, l’équipe espère développer davantage la technologie pour une utilisation plus large et une traduction clinique. En combinant l’imagerie biophotonique avancée avec l’apprentissage automatique, ils visent à rendre les informations métaboliques plus accessibles pour les études sur le cancer, les troubles immunitaires et les thérapies cellulaires. Les travaux démontrent comment l’imagerie optique peut aller au-delà de la simple visualisation pour révéler des informations fonctionnelles sur les cellules, offrant ainsi une compréhension plus riche de la dynamique du système immunitaire en matière de santé et de maladie.
