Dans de nouvelles vidéos accélérées époustouflantes, des nanoparticules biologiques se déplacent et voltigent à travers un champ étoilé de points lumineux. Guidés par la chimie invisible de l’attraction, ces voyageurs microscopiques finissent par se regrouper pour former des cercles parfaitement ronds et brillants sur une surface noire.
Ces nouvelles vidéos fascinantes sont rendues possibles grâce au LEVA (adsorption de vésicules extracellulaires et de particules induites par la lumière), une nouvelle technologie révolutionnaire de l'Université Northwestern et de l'Université d'État de l'Ohio.
LEVA est le premier outil qui permet aux scientifiques d'organiser avec précision de minuscules paquets biologiques appelés vésicules et particules extracellulaires liées à la surface (EVP). Les cellules libèrent ces minuscules paquets dans les biofluides et les laissent dans les tissus, où ils aident à transmettre des messages à d'autres cellules. En signalant aux cellules de se déplacer ou de réparer les dommages, les EVP semblent influencer de nombreux processus importants dans le corps humain, notamment la cicatrisation des plaies, les infections, la régénération et la propagation du cancer.
Grâce à LEVA, les scientifiques peuvent observer ces minuscules messagers biologiques lorsqu’ils interagissent avec les cellules en temps réel. Ensuite, les chercheurs peuvent étudier comment les messages des EVP accélèrent la guérison, aident à défendre le corps ou font proliférer les maladies.
L'étude sera publiée demain (18 novembre) dans la revue Nature Methods. Il s’agit du premier outil rapide, évolutif et à haute résolution permettant de contrôler les EVP sans utiliser d’anticorps, de marqueurs chimiques ou de molécules de capture.
« Notre recherche fournit aux scientifiques un nouvel outil puissant pour comprendre comment les cellules communiquent via les « fils d'Ariane » qu'elles laissent derrière elles lors de mouvements dans des contextes sains et pathologiques », a déclaré Colin Hisey de Northwestern, qui a codirigé les travaux. « Une meilleure compréhension de leur rôle pourrait conduire à de nouveaux traitements pour les maladies et à des thérapies améliorées pour la cicatrisation des plaies. La polyvalence de la technique signifie qu'elle peut être adoptée par les chercheurs du monde entier pour accélérer les découvertes dans de multiples domaines de la santé humaine. »
Hisey est professeur adjoint de génie biomédical à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il a codirigé les travaux avec Xilal Y. Rima et Jacob Doon-Ralls, respectivement boursier postdoctoral et diplômé à l'Ohio State University. L'auteur principal de l'étude est Eduardo Reátegui, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Ohio State University.
Mettre en lumière les messagers cellulaires
À mesure que les cellules se déplacent dans le corps, elles libèrent naturellement de minuscules EVP enveloppées dans une membrane, qui transportent des protéines, de l’ARN et d’autres cargaisons moléculaires. Une fois libérés, les EVP agissent comme messagers entre les cellules pour façonner divers processus biologiques, notamment les réponses immunitaires et la croissance des tissus.
Traditionnellement, les scientifiques étudiaient les EVP en suspension dans un liquide. Mais Hisey et son équipe voulaient explorer ce qui se passe lorsque les EVP sont fixés en place, agissant comme une feuille de route pour les cellules itinérantes. LEVA fonctionne en projetant une lumière ultraviolette sur un minuscule réseau de miroirs, puis sur une surface, pour créer un motif semblable à un pochoir. Les zones exposées à la lumière subissent un changement chimique, devenant collantes aux EVP. Les zones non exposées restent cependant neutres.
Lorsque les EVP sont introduits, ils s’attachent naturellement aux régions exposées, formant des motifs précis tels que des points, des lignes, des dégradés, des traînées ou même des images complexes. Cela permet aux scientifiques d’organiser les EVP selon des formes et des sentiers contrôlés qui imitent la façon dont ils pourraient être disposés dans les tissus humains.
Les EVP semblent jouer un rôle crucial, mais mal compris, dans la migration et les métastases du cancer, la cicatrisation des plaies et les réponses immunitaires. Auparavant, les scientifiques ne disposaient pas des outils nécessaires pour les étudier quantitativement et systématiquement. LEVA utilise une lumière ultraviolette contrôlée pour attirer ces vésicules avec une précision subcellulaire basée sur leurs propriétés innées. Cela n'était pas possible auparavant, et grâce à notre équipe interdisciplinaire, cette technologie arrive à un moment où ce domaine gagne beaucoup d'attention et prend de l'ampleur.
Colin Hisey, professeur adjoint de génie biomédical, McCormick School of Engineering du Northwestern
Les cellules immunitaires suivent le « fil d’Ariane » pour attaquer l’infection
Après avoir développé des modèles d'EVP, Hisey et ses collaborateurs ont voulu étudier comment ils interagissent avec les cellules en temps réel. Ils ont utilisé LEVA pour créer des formes précises d’EVP à partir de bactéries, simulant ainsi une infection. Ensuite, l’équipe a ajouté des neutrophiles humains isolés, un type de globules blancs qui agissent comme premiers intervenants du système immunitaire.
Les neutrophiles ont rapidement été détectés et ont envahi les EVP bactériennes à motifs. Regroupés étroitement autour des EVP, les neutrophiles imitent la façon dont ils pourraient se rassembler sur le site d'une véritable blessure ou infection dans le corps. Dans les vidéos accélérées qui les accompagnent, les téléspectateurs peuvent regarder l'armée de globules blancs se tortiller et se trémousser sur la surface plane, couvrant les motifs constitués d'EVP bactériens de différentes formes, notamment des points et même des étoiles.
L’expérience montre que les EVP seuls – sans bactéries vivantes – agissent comme de puissants phares chimiques pour les cellules immunitaires. Avec LEVA, les scientifiques peuvent étudier ce comportement signal-réponse avec une grande précision, ce qui pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre la signalisation immunitaire et l’inflammation.
« Les neutrophiles ont évolué pour reconnaître les antigènes présents sur les cellules bactériennes et, par conséquent, également sur les EVP bactériennes, car elles sont très similaires », a déclaré Hisey. « Une fois que les neutrophiles entrent en contact et détectent initialement les EVP, ils subissent des réponses dynamiques que nous essayons toujours de comprendre. C'est quelque chose que notre plateforme peut nous aider à étudier. »
Quelle est la prochaine étape
Ensuite, Hisey et son équipe prévoient d'étendre LEVA au-delà des surfaces planes et transparentes vers des matériaux plus complexes, tridimensionnels et biologiquement pertinents afin de mieux imiter les conditions à l'intérieur du corps humain. En affinant les modèles et les gradients, l’équipe espère éventuellement décoder les règles du comportement cellulaire piloté par l’EVP, depuis le guidage de la régénération des tissus jusqu’à l’interception de la propagation du cancer.
« Nous souhaitons appliquer LEVA à plusieurs domaines pathologiques pour cartographier systématiquement la manière dont différents types de vésicules liées à la surface affectent le comportement cellulaire dans diverses conditions et configurations, en mettant d'abord l'accent sur les métastases cancéreuses, la cicatrisation des plaies et les réponses immunitaires aux EVP pathogènes », a déclaré Hisey. « Nos objectifs à long terme incluent le développement de stratégies thérapeutiques qui exploitent ou bloquent ces communications cellulaires médiées par les vésicules et l'expansion de la technique pour étudier la façon dont les nanoparticules interagissent avec les surfaces dans un contexte purement d'ingénierie des matériaux. »
L'étude, « Adsorption de vésicules et de particules extracellulaires induite par la lumière », a été soutenue par les National Institutes of Health, le Center for Cancer Engineering de l'État de l'Ohio, les programmes OK-PROS et LEGACY, et le Burroughs Wellcome Fund.
