Des sondes nanométriques révèlent comment la structure cellulaire réagit à la pression

En donnant un « nano-poke » aux cellules vivantes et en surveillant les changements qui en résultent dans l’environnement intracellulaire, les chercheurs ont eu un premier aperçu de la façon dont les cellules entières réagissent à la pression mécanique externe.

Une équipe dirigée par des scientifiques de l’Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, au Japon, a utilisé une technique appelée microscopie à force atomique pour appliquer une force sur la surface de diverses cellules. La méthode utilise des sondes à l’échelle nanométrique, dont les pointes mesurent seulement quelques milliardièmes de mètre, pour mesurer et cartographier la manière dont la force est répartie sur la surface cellulaire et dans toute la cellule.

Les chercheurs ont utilisé l’apprentissage automatique pour analyser et modéliser les forces mesurées. Ils ont également utilisé des techniques de fixation et de coloration pour étudier comment la distorsion de force affectait les structures internes de la cellule ainsi que les microtubules et les filaments d’actine qui composent son « squelette ».

L’étude a été publiée dans la revue Science et technologie des matériaux avancés.

“Les cellules sont des matériaux intelligents qui peuvent s’adapter à divers stimuli chimiques et mécaniques de leur environnement”, explique Jun Nakanishi, l’un des auteurs correspondants de l’étude et chef du groupe de mécanobiologie à l’Institut national de science des matériaux. Cette capacité d’adaptation repose sur des mécanismes de rétroaction rapides pour maintenir la cellule intacte et en bonne santé, et il existe de plus en plus de preuves que l’échec de cette réponse cellulaire est à l’origine d’une série de maladies, notamment le diabète, la maladie de Parkinson, les crises cardiaques et le cancer.

Jusqu’à présent, les études de ces réponses cellulaires ont été limitées par les techniques utilisées : par exemple, certaines méthodes nécessitent que les cellules soient pré-équipées de capteurs, de sorte qu’elles ne puissent mesurer qu’une petite partie de la réponse. “Nous avons inventé une manière unique de ‘toucher’ une cellule avec une ‘main’ à l’échelle nanométrique, afin que la répartition des forces sur une cellule complète puisse être cartographiée avec une résolution nanométrique”, explique Hongxin Wang, premier auteur de l’étude et du JSPS. postdoc au sein du Groupe Mécanobiologie.

L’étude a révélé que les forces de tension et de compression sont réparties entre les fibres d’actine et les microtubules de la cellule pour conserver sa forme, de la même manière que fonctionnent les poteaux et les cordes d’une tente de camping. Lorsque les chercheurs ont désactivé la fonction porteuse de force des fibres d’actine, ils ont découvert que le noyau lui-même est également impliqué dans l’équilibrage des forces externes, mettant en évidence le rôle de la structure interne du noyau dans la réponse cellulaire au stress.

L’équipe de recherche a également comparé les réponses des cellules saines et cancéreuses. Les cellules cancéreuses se sont révélées plus résistantes à la compression externe que les cellules saines et étaient moins susceptibles d’activer la mort cellulaire en réponse.

Les résultats éclairent non seulement la mécanique intracellulaire complexe de la réponse au stress, mais la découverte de différentes réponses dans les cellules cancéreuses pourrait offrir une nouvelle façon de distinguer les cellules saines des cellules cancéreuses – un outil de diagnostic basé sur la mécanique cellulaire.

Les hôpitaux utilisent actuellement la taille, la forme et la structure d’une cellule pour diagnostiquer le cancer. Cependant, ces caractéristiques ne fournissent pas toujours suffisamment d’informations pour faire la différence entre les cellules saines et malades.

“Nos résultats fournissent un autre moyen de vérifier l’état des cellules en mesurant la répartition des forces, ce qui pourrait considérablement améliorer la précision du diagnostic”, explique Han Zhang, autre auteur correspondant de l’étude et chercheur principal du groupe de microscopie électronique du NIMS.