Des chercheurs de l'Université Brown et leurs collaborateurs ont développé une nouvelle façon de mesurer les propriétés des cellules – un développement important, disent-ils, car des mesures précises des changements dans l'élasticité cellulaire peuvent être utilisées pour mieux comprendre les maladies, diagnostiquer les symptômes des patients et fournir des pronostics plus précis.
Par exemple, les cellules cancéreuses des tumeurs se ramollissent généralement à mesure qu’elles deviennent plus dangereuses et susceptibles de se propager, tandis que les maladies du sang comme le paludisme et la drépanocytose peuvent provoquer un raidissement des globules rouges. Des changements mécaniques au niveau cellulaire sont également observés dans les maladies neurodégénératives, cardiovasculaires et inflammatoires chroniques.
Comme détaillé dans une étude parue dans la revue Laboratoire sur puceles chercheurs ont développé ce qu'ils appellent un « cytomètre mécanophénotypant » – un dispositif microfluidique conçu pour mesurer la taille physique et la souplesse d'une cellule, connue sous le nom de phénotype mécanique.
Le mécanophénotypage est un outil sous-utilisé, a déclaré l'auteur principal de l'étude, Graylen Chickering, titulaire d'un doctorat. candidat en génie biomédical dans le laboratoire du professeur agrégé de l'Université Brown, Eric Darling. Cela est principalement dû au fait que les technologies de mesure sont à la traîne par rapport aux autres méthodes d’analyse des propriétés cellulaires.
L'étalon-or pour mesurer l'élasticité ou la rigidité d'une cellule est la microscopie à force atomique, a expliqué Chickering, qui nécessite que les cellules adhèrent à une surface et soient testées une par une avec un petit pénétrateur.
Cette méthode fonctionne essentiellement en poussant une cellule. Imaginez que vous regardez un ballon d'eau, et si vous appuyez directement sur le bord du ballon plutôt que sur le centre, la sensation peut être différente. L'exploration des cellules est également assez lente, ce qui rend difficile l'étude d'un grand nombre de cellules dans un laps de temps raisonnable. »
Graylen Chickering, titulaire d'un doctorat. candidat en génie biomédical, Brown University
Temps de parcours cellulaire : une mesure clé
En développant la nouvelle technique, les scientifiques se sont plutôt concentrés sur une mesure appelée temps de vol, qui correspond au temps nécessaire à une cellule pour voyager à travers de minuscules canaux remplis de liquide.
« La cellule se déplace essentiellement d'un point de contrôle à un autre, et nous prenons des horodatages de chaque point de contrôle pour déterminer l'heure du vol », a déclaré Chickering.
Les chercheurs ont utilisé les signaux de fluorescence existants du cytomètre, un appareil permettant de compter et de mesurer les cellules, pour déterminer la taille des cellules, puis ont utilisé le temps de vol pour déterminer la rigidité des cellules. Les cellules plus molles se déplacent vers le centre du canal, là où le fluide se déplace le plus rapidement, tandis que les cellules plus rigides restent sur les bords, là où le fluide se déplace plus lentement.
Chickering a déclaré que par rapport à la microscopie à force atomique, qui permet aux scientifiques expérimentés de mesurer une cellule toutes les 30 secondes environ, elle a pu utiliser la nouvelle approche pour examiner 60 à 100 cellules par seconde, avec des taux allant jusqu'à des centaines, voire des milliers de cellules par seconde.
« La preuve de concept a eu lieu lorsque Graylen a produit des données montrant que les particules cellulaires de différentes rigidités et de différentes tailles avaient des temps de vol corrélationnels différents, ce qui correspondait théoriquement à ce à quoi nous nous attendions », a déclaré l'auteur de l'étude Darling, professeur agrégé de sciences médicales, d'ingénierie et d'orthopédie à Brown. « La méthode était si propre et reproductible par rapport aux méthodes précédentes qu'elle peut donner lieu à des mesures différentes selon la façon dont elles sont utilisées. »
Les résultats sont le résultat d'une collaboration pluriannuelle entre des chercheurs de l'Institut Brown pour la biologie, l'ingénierie et la médecine et une équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) du Maryland. Brown a fourni des particules synthétiques ressemblant à des cellules, idéales pour l'expérimentation, a déclaré Darling, tandis que les scientifiques du NIST ont créé la conception fondamentale du dispositif cytomètre.
« Nous avons apporté à la collaboration nos imitations de cellules polymères, qui ont servi de particules d'étalonnage de tailles et de rigidité spécifiques, cartographiant comment ces propriétés influencent différentes mesures enregistrées par l'appareil », a déclaré Darling. « Le cytomètre du NIST présente la particularité de disposer de plusieurs régions de mesure, fournissant une quantification des erreurs pour chaque particule qui le traverse. Cela nous a permis de montrer à quel point la variabilité – à la fois biologique et technique – existait dans nos mesures. »
Les travaux futurs utiliseront le cytomètre mécanophénotypage pour étudier les propriétés mécaniques des cellules provenant d'échantillons de sang et de tissus humains fournis par les partenaires cliniques de Brown.
« Nous nous attendons à voir des différences entre les individus en bonne santé et ceux atteints de certains types de maladies, comme le cancer », a déclaré Darling. « L'espoir ultime est qu'un dispositif de ce type puisse aider au diagnostic ou au pronostic parallèlement aux méthodes existantes. »
Le financement de l’étude a été assuré par la National Science Foundation (subvention CMMI 2054193) et le National Institute of Standards and Technology.
