Pour survivre, les organismes doivent contrôler la pression à l’intérieur d’eux, depuis le niveau cellulaire jusqu’aux tissus et organes. Mesurer ces pressions dans les cellules et tissus vivants dans des conditions physiologiques constitue un défi.
Dans le cadre de recherches qui trouvent leur origine à l’UC Santa Barbara, des scientifiques du Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) de l’Université technique de Dresde (TU Dresden), en Allemagne, rapportent dans la revue Communications naturelles une nouvelle technique pour « visualiser » ces pressions à mesure que les organismes se développent. Ces mesures peuvent aider à comprendre comment les cellules et les tissus survivent sous pression et révéler comment les problèmes de régulation des pressions conduisent à la maladie.
Lorsque les molécules dissoutes dans l’eau sont séparées en différents compartiments, l’eau a tendance à s’écouler d’un compartiment à l’autre pour équilibrer leurs concentrations, un processus appelé osmose. Si certaines molécules ne parviennent pas à traverser la membrane qui les sépare, un déséquilibre de pression – ; pression osmotique -; s’accumule entre les compartiments. Ce principe est à la base de nombreuses applications techniques, comme le dessalement de l’eau de mer ou l’élaboration de crèmes hydratantes. Il s’avère que le maintien d’un organisme fonctionnel figure également sur la liste.
Nos cellules déplacent constamment les molécules vers l’intérieur et vers l’extérieur pour empêcher l’accumulation de pression de les écraser. Pour ce faire, ils utilisent des pompes moléculaires qui leur permettent de contrôler la pression. Cette pression osmotique affecte de nombreux aspects de la vie des cellules et détermine même leur taille.
Lorsque les cellules s’associent pour construire nos tissus et nos organes, elles sont également confrontées à un problème de pression : notre système vasculaire, ou des organes tels que le pancréas ou le foie, contiennent des cavités remplies de liquide appelées lumières qui sont essentielles à leur fonctionnement. Si les cellules ne parviennent pas à contrôler la pression osmotique, ces lumières peuvent s’effondrer ou exploser, avec des conséquences potentiellement catastrophiques pour l’organe. Pour comprendre comment les cellules régulent la pression dans ces tissus, ou comment elles ne parviennent pas à le faire en cas de maladie, il est essentiel de mesurer et de « voir » la pression osmotique dans les tissus vivants. Mais cela n’a malheureusement pas été possible.
Jusqu’à maintenant.
Dirigés par l’ancien professeur de l’UCSB, Otger Campàs, qui occupe désormais la chaire de dynamique tissulaire à la TU Dresden et est actuellement directeur général de PoL, les scientifiques ont mis au point une nouvelle technique pour mesurer la pression osmotique dans les cellules et les tissus vivants en utilisant des gouttelettes spéciales connues sous le nom de émulsions doubles. Pour ce capteur de pression, ils ont introduit une gouttelette d’eau dans une gouttelette d’huile qui permet à l’eau de s’écouler. Lorsque ces « doubles gouttelettes » étaient exposées à des solutions salines de différentes concentrations, l’eau entra et sortait de la gouttelette d’eau interne, modifiant son volume, jusqu’à ce que les pressions soient équilibrées. Les chercheurs ont montré que la pression osmotique peut être mesurée en vérifiant simplement la taille des gouttelettes. Ils ont ensuite introduit ces doubles gouttelettes dans des cellules et tissus vivants à l’aide de microcapillaires en verre pour révéler leur pression osmotique.
Il s’avère que les cellules des tissus animaux ont la même pression osmotique que les cellules végétales mais, contrairement aux plantes, elles doivent constamment l’équilibrer avec leur environnement pour éviter d’exploser, car elles n’ont pas de parois cellulaires rigides. »
Otger Campàs, ancien professeur à l’UCSB
Grâce à ce concept simple, cette méthode ingénieuse permet désormais aux scientifiques de « voir » la pression osmotique dans un large éventail de contextes. « Nous savons que plusieurs processus physiques affectent le fonctionnement de notre corps », a déclaré Campàs. » En particulier, on sait que la pression osmotique joue un rôle fondamental dans la construction des organes au cours de l’embryogenèse, ainsi que dans le maintien d’organes adultes sains. Grâce à cette nouvelle technique, nous pouvons désormais étudier comment la pression osmotique impacte directement tous ces processus dans le vivant. tissus. »
Au-delà d’offrir un aperçu des processus biologiques et des principes physiques qui régissent la vie, cette méthode recèle des applications industrielles et médicales prometteuses, notamment le suivi de l’hydratation de la peau, la caractérisation de crèmes ou d’aliments et le diagnostic de maladies connues pour avoir des déséquilibres de pression osmotique, telles que les maladies cardiovasculaires ou tumeurs. Le brevet pour cette technique est actuellement délivré par l’UC Santa Barbara, où Campàs a effectué ses recherches avant de rejoindre la TU Dresden.
Le laboratoire de Campàs a précédemment développé des techniques uniques pour mesurer les forces minuscules que les cellules créent à l’intérieur des tissus ainsi que les propriétés physiques supplémentaires à l’aide de minuscules gouttelettes uniques. Antoine Vian, auteur principal des travaux et expert en microfluidique, la technologie qui permet de générer des gouttelettes à double émulsion, a souligné leur rôle clé.
« Les doubles émulsions sont très polyvalentes et ont de nombreuses applications différentes en science et technologie », a-t-il déclaré. « Les gouttelettes simples peuvent être déformées, mais sont incompressibles et ne permettent pas de mesurer la pression. En revanche, les gouttelettes en double émulsion peuvent changer de taille et être utilisées comme capteurs de pression osmotique. Leur utilisation dans les systèmes vivants permettra sûrement de nouvelles découvertes passionnantes. »
