Les cellules peuvent utiliser cette stratégie pour éliminer les sous-produits toxiques et donner à leur progéniture une table rase

En utilisant une nouvelle méthode qu’ils ont développée pour mesurer la masse sèche des cellules, les chercheurs ont découvert que les cellules perdent environ 4 % de leur masse lorsqu’elles entrent en division cellulaire. Les chercheurs pensent que cette vidange des déchets aide les cellules à donner à leur progéniture un “nouveau départ”, sans les déchets accumulés de la cellule mère.

“Notre hypothèse est que les cellules pourraient jeter des choses qui s’accumulent, des composants toxiques ou simplement des choses qui ne fonctionnent pas correctement que vous ne voulez pas avoir là-bas. Cela pourrait permettre aux cellules nouveau-nées de naître avec un contenu plus fonctionnel. “, déclare Teemu Miettinen, chercheur au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Scott Manalis, professeur d’ingénierie David H. Koch dans les départements d’ingénierie biologique et d’ingénierie mécanique, et membre de l’Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans eVie. Kevin Ly et Alice Lam, étudiants de premier cycle en génie biologique du MIT, sont également les auteurs de l’article.

Masse de mesure

La mesure de la masse sèche d’une cellule – le poids de son contenu sans l’eau – est généralement effectuée à l’aide d’une technique de microscopie appelée microscopie de phase quantitative. Cette technique peut mesurer la croissance cellulaire, mais elle ne révèle pas d’informations sur le contenu moléculaire de la masse sèche et elle est difficile à utiliser avec des cellules qui poussent en suspension.

Le laboratoire de Manalis a précédemment développé une technique pour mesurer la masse flottante des cellules, qui est leur masse lorsqu’elles flottent dans un fluide tel que l’eau. Cette méthode mesure la masse flottante en faisant circuler des cellules à travers un canal intégré dans un porte-à-faux vibrant, ce qui peut être fait à plusieurs reprises pour suivre les changements de masse d’une cellule particulière sur plusieurs heures ou jours.

Pour leur nouvelle étude, les chercheurs ont voulu adapter la technique afin qu’elle puisse être utilisée pour calculer la masse sèche des cellules, ainsi que la densité de la masse sèche. Il y a environ 10 ans, ils avaient découvert qu’ils pouvaient calculer la masse sèche d’une cellule s’ils mesuraient d’abord la cellule dans de l’eau normale, puis dans de l’eau lourde (qui contient du deutérium au lieu de l’hydrogène ordinaire). Ces deux mesures peuvent être utilisées pour calculer la masse sèche de la cellule.

Cependant, l’eau lourde étant toxique pour les cellules, ils n’ont pu obtenir qu’une seule mesure par cellule. L’année dernière, Miettinen a entrepris de voir s’il pouvait concevoir un système dans lequel les cellules pourraient être mesurées à plusieurs reprises avec une exposition minimale à l’eau lourde.

Dans le système qu’il a mis au point, les cellules sont exposées très brièvement à de l’eau lourde lorsqu’elles traversent des canaux microfluidiques. Il ne faut qu’une seconde à une cellule pour échanger complètement son contenu en eau, afin que les chercheurs puissent mesurer la masse de la cellule lorsqu’elle était pleine d’eau lourde, la comparer à la masse dans l’eau normale, puis calculer la masse sèche.

“Notre idée était que si nous minimisions l’exposition des cellules à l’eau lourde, nous pourrions concevoir le système de manière à pouvoir répéter cette mesure sur de longues périodes sans endommager la cellule”, explique Miettinen. “Cela nous a permis pour la première fois de suivre non seulement la masse sèche d’une cellule, ce que font les autres en utilisant des méthodes microscopiques, mais aussi la densité de la masse sèche, qui nous informe de la composition biomoléculaire de la cellule.”

Les chercheurs ont montré que leurs mesures de masse sèche étaient qualitativement en accord avec les travaux antérieurs utilisant la microscopie de phase quantitative. Et, en plus de fournir la densité de la masse sèche, la méthode de l’équipe du MIT permet une résolution temporelle plus élevée, ce qui s’est avéré utile pour révéler la dynamique lors de la mitose (division cellulaire).

Sortir la poubelle

Dans les cellules en mitose, les chercheurs ont utilisé leur nouvelle technique pour étudier ce qui arrive à la masse et à la composition cellulaire au cours de ce processus. Dans un article de 2019, Miettinen et Manalis ont découvert que la masse flottante augmente légèrement au début de la mitose. Cependant, d’autres études qui ont utilisé la microscopie de phase quantitative ont suggéré que les cellules pourraient conserver ou perdre de la masse sèche au début de la division cellulaire.

Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a mesuré trois types de cellules cancéreuses, qui sont plus faciles à étudier car elles se divisent plus fréquemment que les cellules saines. À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que la masse sèche des cellules diminue en fait lorsqu’elles entrent dans le cycle de division cellulaire. Cette masse est retrouvée plus tard, avant que la division ne soit complète.

D’autres expériences ont révélé que lorsque les cellules entrent en mitose, elles accélèrent l’activité d’un processus appelé exocytose lysosomale. Les lysosomes sont des organites cellulaires qui décomposent ou recyclent les déchets cellulaires, et l’exocytose est le processus qu’ils utilisent pour se débarrasser de toutes les molécules qui ne sont plus nécessaires.

Les chercheurs ont également découvert que la densité de la masse sèche augmente à mesure que les cellules perdent de la masse sèche, ce qui les amène à croire que les cellules perdent des molécules de faible densité telles que des lipides ou des lipoprotéines. Ils émettent l’hypothèse que les cellules utilisent ce processus pour éliminer les molécules toxiques avant de se diviser. “Ce que nous voyons, c’est que les cellules pourraient essayer de jeter les composants endommagés avant de se diviser”, explique Miettinen.

Les chercheurs pensent que leurs découvertes pourraient aider à expliquer pourquoi les neurones, qui ne se divisent pas, sont plus susceptibles d’accumuler des protéines toxiques telles que Tau ou la bêta-amyloïde, qui sont liées au développement de la maladie d’Alzheimer.

Les résultats pourraient également être pertinents pour le cancer : les cellules cancéreuses peuvent expulser certains médicaments de chimiothérapie par exocytose, les aidant à devenir résistantes aux médicaments. En théorie, empêcher l’exocytose de se produire avant la division cellulaire pourrait contribuer à rendre les cellules cancéreuses plus sensibles à ces médicaments.

“Il y a des maladies pour lesquelles nous pourrions vouloir réguler à la hausse l’exocytose, par exemple dans les maladies neurodégénératives, mais il y a aussi des maladies comme le cancer où nous voulons peut-être la réduire”, explique Miettinen. “À l’avenir, si nous pouvions mieux comprendre le mécanisme moléculaire derrière cela et trouver un moyen de le déclencher en dehors de la mitose ou de l’empêcher pendant la mitose, nous pourrions vraiment avoir une nouvelle bascule à utiliser lors du traitement de la maladie.”

La recherche a été financée par le MIT Center for Cancer Precision Medicine, le Virginia and DK Ludwig Fund for Cancer Research, le Cancer Systems Biology Consortium et la subvention Koch Institute Support (core) du National Cancer Institute.