Les scientifiques développent la première méthode pour mesurer les changements cellulaires dans le corps au fil du temps

Alors que les physiciens continuent de se demander si le temps est effectivement une illusion, comme le prétendait Albert Einstein, les biologistes n'ont aucun doute sur son importance pour comprendre la vie en tant que système dynamique.

Ces dernières années, ils ont acquis une compréhension de plus en plus approfondie des systèmes biologiques complexes grâce à des outils permettant l’analyse simultanée de grandes quantités de données cellulaires et moléculaires et l’étude des circuits cellulaires à l’origine des maladies. Cependant, ces recherches approfondies sur la façon dont les cellules se comportent et interagissent n’ont fourni que des instantanés distincts de ce qui se passe à l’intérieur d’organismes complexes, sans tenir compte de la dimension temporelle ni révéler la séquence des événements cellulaires.

Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Celluledes chercheurs du laboratoire du professeur Ido Amit de l'Institut des sciences Weizmann ont réussi pour la première fois à développer une méthode permettant de suivre et de mesurer les changements au fil du temps dans des cellules individuelles du corps.

La méthode, appelée Zman-seq (du mot hébreu zman, pour « temps »), consiste à marquer les cellules avec différents horodatages et à les suivre dans des tissus sains ou pathologiques. Grâce à cette machine à voyager dans le temps cellulaire, les chercheurs peuvent connaître l'histoire des cellules et la durée pendant laquelle chaque cellule est restée dans le tissu, pour finalement comprendre les changements temporels moléculaires et cellulaires qui ont eu lieu dans ce tissu.

Les technologies unicellulaires, les outils qui permettent aux biologistes de comprendre ce qui se passe à l'intérieur des cellules individuelles, ont progressé considérablement ces dernières années, en grande partie grâce à la communauté dynamique de recherche sur les cellules unicellulaires dans laquelle le laboratoire d'Amit est l'un des pionniers.

Grâce à ces outils, il est désormais possible d’obtenir des images haute résolution de l’évolution des maladies et de la façon dont l’organisme réagit à différents médicaments, d’identifier des populations de cellules rares, de décrypter quelles cellules interagissent entre elles et comment elles sont réparties spatialement dans un tissu.

Cependant, toutes ces informations importantes équivalent à obtenir de nombreuses images fixes d’un film et à essayer d’en comprendre l’intrigue. “Savoir ce qui a précédé ce n'est pas suffisant pour déduire une causalité, mais sans cette connaissance, nous n'avons pas vraiment de chance de comprendre quelle est la cause et quel est l'effet”, explique Amit.

Le développement de cette nouvelle technologie révolutionnaire a commencé avec les recherches du Dr Daniel Kirschenbaum, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Amit. Kirschenbaum est né en Hongrie et a fait son doctorat. en neuropathologie en Suisse, où il a étudié le glioblastome, la tumeur cérébrale la plus courante et la plus agressive.

“Nous pensons généralement au cancer comme à une croissance incontrôlable des cellules, mais en fait, le cancer est aussi la perte de la capacité de l'organisme, et plus particulièrement de son système immunitaire, à contrôler cette croissance”, dit-il. “Et quand vous regardez les tumeurs, une grande partie d'entre elles sont composées de cellules immunitaires dysfonctionnelles, qui représentent parfois un tiers, voire la moitié de toutes les cellules d'une tumeur.”

Le glioblastome est l’un des types de tumeurs les plus immunosuppresseurs. “Pour comprendre comment vaincre ce cancer, nous devons comprendre ce qui arrive aux cellules immunitaires lorsqu'elles pénètrent dans la tumeur et pourquoi elles perdent la capacité de combattre la tumeur et deviennent dysfonctionnelles”, explique Kirschenbaum. “Idéalement, nous voudrions avoir une petite horloge sur chaque cellule nous indiquant quand elle est entrée dans la tumeur et quand les signaux et les points de contrôle qui lui ordonnent de devenir incompétentes sont activés. On pensait que cette machine de retour vers le futur était impossible à réaliser. développer.”

La percée s’est produite lorsque Kirschenbaum a décidé d’adopter une approche étrange. “Au lieu d'essayer de mesurer le temps passé dans les cellules du tissu tumoral, nous avons décidé d'essayer de marquer les cellules alors qu'elles sont encore dans le sang, avant qu'elles n'entrent dans la tumeur. En utilisant différents colorants fluorescents à différents moments, nous sommes ensuite capables savoir exactement quand chaque cellule est entrée dans le tissu et depuis combien de temps elle y est restée, ce qui révèle les changements dynamiques qui se sont produits dans les cellules du tissu, par exemple, quelles sont les différentes étapes auxquelles les cellules immunitaires deviennent dysfonctionnelles à l'intérieur de la tumeur. “

Le défi, ajoute Kirschenbaum, était de développer la manière optimale de colorer les cellules du sang à des moments précis, en veillant à ce que le colorant n'atteigne pas le tissu lui-même ou ne reste pas trop longtemps dans le sang, pouvant se mélanger au colorant suivant. Dans le même temps, le colorant devait rester sur les cellules suffisamment longtemps pour pouvoir être mesuré.

Dans le cadre de l'étude, les chercheurs du laboratoire d'Amit ont montré que la méthode permet de mesurer le temps dans les cellules immunitaires de différents tissus : le cerveau, les poumons et le système digestif de modèles animaux.

Grâce à Zman-seq, Kirschenbaum et ses collègues ont pu comprendre pourquoi le système immunitaire est si dysfonctionnel dans la lutte contre le glioblastome.

“Par exemple, nous avons montré que les cellules immunitaires appelées cellules tueuses naturelles, qui, comme leur nom l'indique, sont cruciales pour tuer les cellules indésirables, deviennent très rapidement dysfonctionnelles parce que la tumeur détourne leurs mécanismes de destruction – et cela se produit moins de 24 heures après leur élimination. pénétration dans la tumeur. Cela explique pourquoi les tentatives thérapeutiques visant à exploiter le système immunitaire pour lutter contre le glioblastome sont si inefficaces”, explique Kirschenbaum.

D'autres membres du laboratoire d'Amit du département d'immunologie systémique de Weizmann, dont le Dr Ken Xie et le Dr Florian Ingelfinger, ont contribué au développement de Zman-seq. Les collaborateurs comprenaient les immunologistes Prof. Marco Colonna de l'Université de Washington, Prof. Katayoun Rezvani de l'Université du Texas, Prof. Florent Ginhoux de l'Institut d'immunologie de Shanghai, le neuro-oncologue Dr Tobias Weiss de l'hôpital universitaire de Zurich et les biologistes computationnels Prof. Fabian J. Thèses du Centre Helmholtz de Munich et du Prof. Nir Yosef de l'Institut Weizmann.

Aujourd'hui, les chercheurs du laboratoire d'Amit développent des moyens de bloquer les points de contrôle tumoraux immuno-invalidants afin de réactiver le système immunitaire dans le glioblastome et d'autres tumeurs difficiles à traiter. De plus, ils prévoient d’adapter Zman-seq à l’étude de la dynamique temporelle des cellules du corps humain.

« Par exemple, de nombreux patients atteints de cancer reçoivent un traitement avant une intervention chirurgicale. Nous souhaitons utiliser cette méthode pour colorer les cellules immunitaires du corps pendant cette période afin qu'après l'opération, nous puissions mieux comprendre la dynamique des cellules immunitaires dans la tumeur et optimiser le traitement du patient. traitements”, ajoute Kirschenbaum.

“Jusqu'à aujourd'hui, il existait de nombreuses méthodes différentes pour tenter d'analyser les données d'une seule cellule et de les organiser le long d'un axe temporel en fonction de différents paramètres. Mais ces approches étaient toutes quelque peu arbitraires dans le choix de la séquence d'événements”, explique Amit.

“Zman-seq fournit les “faits concrets”, les mesures empiriques permettant aux scientifiques de comprendre l'ordre précis des événements que subissent les cellules immunitaires et autres lorsqu'elles pénètrent dans une tumeur, et cela pourrait conduire à une réflexion complètement nouvelle sur la façon de générer des thérapies plus efficaces contre le cancer et d'autres troubles.