Comprendre le métabolisme cellulaire – comment une cellule utilise l’énergie – pourrait être essentiel pour traiter un large éventail de maladies, y compris les maladies vasculaires et le cancer.
Alors que de nombreuses techniques peuvent mesurer ces processus parmi des dizaines de milliers de cellules, les chercheurs ont été incapables de les mesurer au niveau d’une seule cellule.
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering and Biological Sciences Division de l’Université de Chicago ont développé une technique combinée d’imagerie et d’apprentissage automatique qui peut, pour la première fois, mesurer un processus métabolique aux niveaux cellulaire et sous-cellulaire.
À l’aide d’un biocapteur génétiquement codé associé à une intelligence artificielle, les chercheurs ont pu mesurer la glycolyse, le processus de transformation du glucose en énergie, de cellules endothéliales uniques, les cellules qui tapissent les vaisseaux sanguins.
Ils ont découvert que lorsque ces cellules se déplacent et se contractent, elles utilisent plus de glucose, et ils ont également découvert que les cellules absorbent le glucose via un récepteur jusque-là inconnu. Comprendre ce processus pourrait conduire à de meilleurs traitements pour le cancer et les maladies vasculaires, y compris le COVID-19.
La recherche, publiée dans Métabolisme naturel, était dirigé par Assoc. Prof. Yun Fang et co-dirigé par Asst. Prof. Jun Huang, avec un ancien boursier postdoctoral et maintenant Asst. Le professeur David Wu et l’étudiant diplômé en sciences biophysiques Devin Harrison.
Comprendre le métabolisme cellulaire est universellement important. En mesurant le métabolisme unicellulaire, nous avons potentiellement une nouvelle façon de traiter un large éventail de maladies. »
Ass. Prof. Jun Huang
« C’est la première fois que nous pouvons visualiser le métabolisme cellulaire à différentes échelles temporelles et spatiales, même au niveau subcellulaire, ce qui pourrait fondamentalement changer le langage et l’approche des chercheurs pour étudier le métabolisme cellulaire », a déclaré Fang.
Mesure de la glycolyse
Les cellules endothéliales fournissent normalement une couche serrée à l’intérieur des vaisseaux sanguins, mais elles peuvent se contracter, laissant des espaces dans cette couche, lorsqu’elles ont besoin de l’aide du système immunitaire. Une contraction anormale peut provoquer des fuites de vaisseaux sanguins, entraînant une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral. Une telle contraction des vaisseaux sanguins autour des poumons peut également provoquer une fuite de liquide, ce qui se produit dans le cas du syndrome de détresse respiratoire aiguë. (Cela se produit souvent chez les patients atteints de cas graves de COVID-19.)
Pour mieux comprendre comment les cellules métabolisent l’énergie pour alimenter cette contraction, les chercheurs se sont tournés vers les capteurs de transfert d’énergie par résonance Förster, des biocapteurs génétiquement codés qui peuvent mesurer la quantité de lactate à l’intérieur des cellules. Le lactate est le sous-produit de la glycolyse.
Bien que les chercheurs n’aient pas créé les capteurs, en associant les capteurs à des algorithmes d’apprentissage automatique, ils ont créé une technique encore plus puissante qui leur a permis d’imager les cellules, d’analyser les données et d’analyser les réactions de glycolyse aux niveaux cellulaire et subcellulaire.
« Maintenant, nous pouvons examiner et comprendre les détails au sein des cellules, comme certaines zones des cellules où il y a une augmentation de la glycolyse », a déclaré Fang. « Il s’agit d’une innovation technologique clé.
Ils ont pu mesurer la quantité de glucose utilisée par les cellules lorsqu’elles se contractaient et se déplaçaient, et ils ont également découvert un nouveau mécanisme de transport du glucose médié par le cytosquelette de la cellule – un récepteur appelé GLUT3 – que ces cellules utilisent pour absorber le glucose.
Création de nouveaux traitements
Comprendre comment la glycolyse fonctionne au niveau cellulaire pourrait finalement conduire à des traitements qui inhibent ce processus lorsqu’ils sont bénéfiques – dans le cas de vaisseaux sanguins qui fuient chez les patients atteints d’athérosclérose, par exemple. Cela pourrait également aider les patients dont le système immunitaire réagit de manière excessive au COVID-19, par exemple, et ont besoin d’aide pour combler les lacunes au sein de leurs cellules endothéliales autour de leurs poumons.
« Si nous pouvons trouver un moyen d’inhiber la contraction, nous pourrions réduire le syndrome de détresse respiratoire aiguë chez les patients COVID-19 », a déclaré Fang.
Il a également des implications importantes dans le traitement du cancer. La migration et la prolifération endothéliales, entraînées par la glycolyse, sont des processus cellulaires majeurs impliqués dans la croissance vasculaire, qui est nécessaire à la survie et à la croissance des tumeurs. Comprendre comment cela fonctionne pourrait aider les chercheurs à détruire les tumeurs et à inhiber la croissance tumorale.
Il pourrait également être utile dans la thérapie par cellules CAR T, qui recrute le propre système immunitaire du corps pour combattre les tumeurs. Bien que la thérapie ait sauvé la vie de certains, de nombreux patients n’y répondent pas. Étant donné que les cellules endothéliales sont importantes pour permettre aux cellules T d’infiltrer les tumeurs et que le métabolisme cellulaire est déterminant pour les fonctions des cellules T, les chercheurs pensent que la modulation du métabolisme cellulaire pourrait aider à créer un meilleur système d’immunothérapie.
Les chercheurs testent actuellement de tels inhibiteurs pour traiter le syndrome de détresse respiratoire aiguë induit par COVID-19 au laboratoire national d’Argonne.
« Peut-on finalement reprogrammer les cellules par le métabolisme? » dit Huang. « C’est une question importante, et nous devons comprendre comment fonctionne le métabolisme. Il y a un énorme potentiel ici, et ce n’est que le point de départ. »
La source:
Référence de la revue :
Wu, D, et al. (2021) L’imagerie métabolique unicellulaire révèle une explosion glycolytique dépendante de SLC2A3 dans les cellules endothéliales mobiles. Métabolisme naturel. doi.org/10.1038/s42255-021-00390-y.
