Lorsqu’un patient est confronté à certains cancers ou à une maladie immunitaire, les cliniciens se tournent vers ses globules blancs pour obtenir des indices sur la progression des deux maladies et de leurs traitements. À partir d’une prise de sang standard, un laboratoire clinique isole les cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC), qui sont principalement des cellules immunitaires, puis compte l’abondance des différents types de cellules, ainsi que quelques mesures de base de leur fonctionnement.
« Les PBMC peuvent être isolées cliniquement très facilement et elles sont déjà utilisées dans le flux de travail clinique », explique Melissa Skala, chercheuse en génie biomédical au Morgridge Institute et auteure principale d’une nouvelle étude dans Découverte de la biophotonique. « Alors, la question est : que pouvons-nous obtenir d’eux que nous n’obtenons pas déjà ? »
Skala et son laboratoire de l’Institut Morgridge, dont Jeremiah Riendeau, étudiant au doctorat, travaillent à l’utilisation de techniques d’imagerie avancées dans la quête visant à récupérer autant d’informations que possible à partir des cellules immunitaires. Ce faisant, ils espèrent contribuer à améliorer le diagnostic et le traitement des affections liées au système immunitaire telles que les cancers du sang, le lupus, la septicémie et le déclin cognitif. De plus, les PBMC constituent le matériau de départ des thérapies cellulaires CAR T, qui modifient les propres cellules immunitaires d’un patient pour combattre certains cancers. Comprendre la dynamique immunitaire de ces cellules modifiées de manière plus nuancée et plus complète que celle dont disposent actuellement les cliniciens pourrait améliorer les résultats des patients subissant des traitements, notamment la thérapie cellulaire CAR T.
Auparavant, les techniques permettant de mesurer le métabolisme des cellules immunitaires nécessitaient d’isoler des types de cellules individuels ou d’ajouter des marqueurs chimiques mettant en évidence la présence ou l’absence de métabolites. Avec la nouvelle étude, Riendeau affirme que l’équipe de recherche a, pour la première fois, observé avec précision l’état métabolique de cellules immunitaires uniques dans un échantillon complexe de PBMC à l’aide d’une analyse non destructive. Lorsqu’elle est associée aux techniques cliniques actuelles, cela peut fournir un niveau d’information plus élevé au-delà de la simple numération cellulaire. De plus, la classification des cellules immunitaires et de leurs états métaboliques dans des échantillons complexes plutôt que dans des monocultures fournit des informations plus précises sur le comportement des cellules.
La capacité d’en apprendre davantage sur les cellules immunitaires et leur fonction sans les détruire signifie que la technique pourrait être utilisée dans des applications telles que l’évaluation de l’aptitude des cellules immunitaires avant qu’elles ne soient administrées comme traitement.
« Vous pourrez continuer à utiliser les échantillons après cette analyse », précise Riendeau. Avec d’autres techniques, « si vous souhaitez étudier le métabolisme, vous devez ajouter différents réactifs à l’échantillon, ce qui peut être nocif pour les cellules ».
Skala ajoute que « de nombreuses matières premières pour les thérapies cellulaires sont des PBMC. Si vous pouviez faire quelque chose pour évaluer l’aptitude de ces cellules avant de les traiter pour la thérapie cellulaire, ce serait bien. »
Pour obtenir une imagerie non destructive et de très haute résolution, l’équipe a utilisé une technique mise au point par le Skala Lab appelée imagerie métabolique optique, ou OMI, sur des échantillons de PBMC indifférenciées isolées du sang de trois volontaires humains. Avec OMI, un microscope sensible tire deux photons de grande longueur d’onde, qui n’endommagent pas autant le matériau que ceux de longueur d’onde plus courte, mais ont le même effet sur l’échantillon. Cela excite la fluorescence inhérente des produits du métabolisme cellulaire et permet aux chercheurs d’identifier si les PBMC sont métaboliquement actives ou au repos.
Dans cette étude, ils l’ont fait avec une précision de 93 % seulement deux heures après avoir stimulé les cellules. De plus, ils ont pu identifier spécifiquement les monocytes au repos et activés avec une précision de 96 % et 88 %, respectivement, ainsi que les cellules tueuses naturelles (NK) dans les deux États avec une précision de 74 %. Même si les méthodes qui utilisent des marqueurs pour identifier les cellules immunitaires et leur métabolisme sont précises à 100 %, la nouvelle technique présente le net avantage de ne pas avoir besoin de manipuler de manière destructrice les PBMC. Cela rend OMI adapté à la surveillance du comportement d’une seule cellule au fil du temps tout en préservant les échantillons pour les applications en aval.
À l’avenir, l’équipe espère travailler avec des collaborateurs des hôpitaux pour développer des applications cliniques pour cette analyse et apporter de meilleurs résultats de diagnostic et de traitement aux patients atteints de cancer et de troubles immunitaires.
Tous les laboratoires n’ont pas accès à un microscope à deux photons, c’est pourquoi une partie de la recherche menée ici vise à rendre ces informations métaboliques sans étiquette accessibles à un plus grand nombre de laboratoires. Notre laboratoire et nos collaborateurs sont en train de commercialiser notre technologie afin que nous puissions rendre cette mesure plus disponible. L’idée est que, maintenant que nous comprenons à quoi ressemblent les choses dans un échantillon pertinent, d’autres laboratoires peuvent l’avoir et le faire aussi. »
Jérémie Riendeau, Institut de recherche Morgridge
Que sont les PBMC ?
Les PBMC sont des cellules sanguines comportant un seul noyau et sont principalement constituées de globules immunitaires ou blancs. Cela inclut les cellules des systèmes immunitaires inné et adaptatif. Les cellules immunitaires innées comme les cellules NK et les monocytes ne sont pas spécifiques, ce qui signifie qu’elles répondent à tout envahisseur étranger qu’elles rencontrent et peuvent détruire les cellules infectieuses ou cancéreuses avant qu’elles ne causent des problèmes. Le système immunitaire adaptatif, y compris les types de lymphocytes T et B, apprend des infections passées et cible des antigènes spécifiques sur les cellules étrangères.
« Les cellules immunitaires innées », explique Riendeau, « sont un peu comme les premiers intervenants, et plus tard, les cellules immunitaires adaptatives interviendront et aideront avec une approche plus spécifique à une cible. »
Pourquoi le métabolisme immunitaire est-il si important ?
Les chercheurs ont découvert dans la nouvelle étude que les cellules immunitaires innées sont les plus distinctes sur le plan métabolique, ce qui est probablement dû à leur capacité à être très réactives aux menaces et à intensifier rapidement leur activité. Pendant ce temps, les cellules immunitaires adaptatives s’activent plus lentement et doivent être capables de conserver leur énergie sur de plus longues périodes. Mais une activité métabolique élevée n’est pas toujours bonne, et dans les conditions liées à une inflammation chronique, les marqueurs d’activation peuvent être un indicateur que quelque chose ne va pas.
« En général, vous ne voulez pas avoir de réactions immunitaires constantes et continues. Ainsi, les cellules immunitaires dans la circulation sanguine restent verrouillées dans un état de repos. Mais lorsqu’il y a une infection ou un autre problème, comme le cancer, cela provoquerait une réaction immunitaire et activerait les voies métaboliques », explique Riendeau. « La compréhension des quantités relatives de globules blancs est déjà utilisée comme biomarqueur diagnostique. L’ajout de cet élément métabolique peut vous fournir des informations supplémentaires sur l’état d’activation des cellules immunitaires. »
Que peuvent révéler les outils d’imagerie avancés sur la dynamique cellulaire ?
Riendeau affirme que leur nouveau type d’analyse utilisant l’OMI peut donner un sens aux états métaboliques hétérogènes entre les types de cellules. Par exemple, un sous-ensemble de cellules immunitaires peut être hyperactif tandis que d’autres restent au repos. Une mesure globale faisant la moyenne sur l’ensemble de l’échantillon masquerait ces différences et obscurcirait la façon dont le système immunitaire réagit à une infection ou si la thérapie cellulaire traite avec succès un cancer. Mais grâce à la capacité de mesurer de manière non destructive le métabolisme de cellules immunitaires uniques dans un échantillon complexe, les chercheurs seront en mesure de faire progresser notre compréhension des systèmes de défense de notre corps.
