Ecouter les chuchotements des cellules individuelles

Pour que les cellules de notre corps fonctionnent comme une unité, elles doivent constamment communiquer entre elles. Elles sécrètent des substances de signalisation, des ions, des protéines ou des acides nucléiques, qui sont enregistrées par les cellules voisines. Celles-ci transmettent à leur tour le signal à d'autres cellules. Ce n'est que gr?ce à cette communication que nos muscles, notre système digestif ou notre cerveau, par exemple, fonctionnent. Et ce n'est que gr?ce à cela que notre système immunitaire reconna?t les agents pathogènes ou les cellules malades et peut y réagir - à nouveau en envoyant des signaux pour mobiliser les défenses immunitaires. Si quelque chose se passe mal dans cette signalisation entre les cellules, cela conduit à des maladies, comme le cancer ou les maladies auto-immunes. "C'est pourquoi il est important d'étudier quels signaux les cellules envoient dans quelle situation", explique Morteza Aramesh. Ce biophysicien du laboratoire de biocapteurs et de bioélectronique de l'ETH Zurich a mis au point une nouvelle méthode qui permet précisément de faire cela : écouter la communication d'une seule cellule.

Un nanocapteur d'un nouveau genre

Certes, on pouvait déjà mesurer de tels signaux, mais uniquement pour des populations entières de centaines ou de milliers de cellules. Pour les cellules individuelles, les méthodes utilisées jusqu'à présent n'étaient pas assez sensibles. Ainsi, les substances de signalisation des cellules individuelles se perdaient dans la moyenne de la population : "Il était impossible de détecter les différences entre les cellules, par exemple pour identifier les cellules malades", explique Aramesh.

Il en va autrement avec la nouvelle méthode récemment publiée dans la revue spécialisée page externeNature Nanotechnology a été publiée. Pour ce faire, Morteza Aramesh et ses collègues ont équipé un microscope à force fluide d'une pointe spéciale en cantilever. Les cantilevers sont de petits bras de levier dotés d'une pointe fine qui balayent les surfaces de ces microscopes, par exemple celle d'une cellule. La nouveauté est un minuscule capteur à l'extrémité du bras de levier. Il s'agit d'un pore en nitrure de silicium de quelques nanomètres seulement, qui enregistre lorsque la cellule sécrète des molécules.

Voici comment cela fonctionne : Des protéines de transport situées dans la membrane cellulaire sont responsables de l'élimination des substances de signalisation hors des cellules. Le nanopore nouvellement construit a un diamètre si petit qu'il peut être positionné avec précision au-dessus d'une telle protéine de transport et y intercepter les substances qui la traversent. Le nanocapteur analyse alors le courant ionique. Celui-ci change en effet lorsque des ions ou des biomolécules plus grandes, comme des protéines ou des acides nucléiques, traversent le pore. Et le type et la durée de la modification du courant ionique permettent de distinguer différentes substances de signalisation.

Des cellules individuelles sous la loupe

Les chercheurs ont testé leur méthode, qu'ils ont appelée "Scanning Nanopore Microscopy", avec des cellules nerveuses du cerveau de rats. Jusqu'à présent, ils sont parvenus à distinguer des substances de signalisation individuelles comme les ions et certaines protéines. La prochaine étape pour les biophysiciens est de continuer à développer leurs nanocapteurs afin qu'ils puissent à l'avenir reconna?tre d'autres substances de signalisation. "Notre objectif est de pouvoir analyser tous les signaux d'une cellule", explique Janos V?r?s, directeur du laboratoire de biocapteurs et de bioélectronique et dernier auteur de la publication. Mais dès à présent, cette méthode permet de localiser toutes les protéines de transport d'une cellule vivante.

Mieux encore : gr?ce au capteur nouvellement développé, les chercheurs peuvent également regarder à l'intérieur des cellules. En effet, la pointe équipée du nanocapteur est si fine qu'elle peut percer la membrane cellulaire sans causer de dommages durables. A l'intérieur, il est alors possible d'analyser ce qui est sécrété par le noyau cellulaire. "Les fragments d'ARN sont particulièrement intéressants ici", explique V?r?s. Ceux-ci permettent de savoir quelles protéines une cellule est en train de produire - un facteur important dans l'apparition de nombreuses maladies.

"Notre méthode confère aux biologistes des possibilités entièrement nouvelles d'étudier le comportement de cellules individuelles", explique V?r?s. Non seulement lorsqu'il s'agit d'étudier les différences entre les cellules malades et saines, mais aussi, par exemple, lors du développement de cellules souches ou lorsqu'il s'agit de savoir si les cellules se comportent en laboratoire de la même manière que dans le corps. A l'avenir, cette nouvelle méthode devrait permettre de répondre à de nombreuses autres questions.