Les scientifiques savent depuis des décennies que les signaux électriques envoient des messages aux cellules pour dire à notre corps quoi faire. Une nouvelle recherche publiée par des équipes d’une initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) dirigée par l’Université du Maryland met en lumière des signaux biomécaniques supplémentaires qui pourraient être utilisés pour dire aux cellules quoi faire, comme aider une plaie à guérir plus rapidement.
« Notre recherche montre pour la première fois que les ondes biomécaniques se produisent toujours à l’intérieur des cellules et qu’elles peuvent agir comme des capteurs de l’environnement physique », a déclaré Wolfgang Losert, professeur de physique à l’UMD et chercheur principal du MURI.
Deux articles publiés dans des revues iScience et eVie rapportent les découvertes récentes du MURI. Constituée de chercheurs en physique, chimie, biologie, bioingénierie et dermatologie de l’UMD et de plusieurs autres universités, l’équipe MURI tente de comprendre le couplage entre les signaux électriques et les signaux biochimiques et biomécaniques.
« Ces deux articles mettent vraiment en évidence la façon dont ils sont connectés », a déclaré Losert, qui a également une nomination conjointe à l’Institut des sciences physiques et de la technologie de l’UMD. « Ce travail ouvre de nouvelles voies pour diriger les cellules et les tissus et moduler le destin cellulaire avec des entrées de contrôle physique. »
L’étude rapportée dans iScience montre que le courant électrique envoie des signaux, comme un code Morse, qu’une cellule lit et réagit.
« Notre iScience L’étude montre qu’il y a des informations codées dans la séquence temporelle des signaux et que les cellules peuvent lire la séquence temporelle du champ électrique alternatif. Cela a un impact sur le sort de la cellule », a déclaré Losert. « Le eVie montre que le capteur du champ électrique de la cellule n’est pas directement une concentration chimique, mais un système dynamique d’ondes et d’oscillations internes. »
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Toujours en mouvement
« Les cellules bougent constamment dans votre corps, et c’est très important pour toutes sortes de processus. Comme lorsque vous vous coupez, la plaie se referme », a expliqué Peter Devreotes, membre de l’équipe MURI et professeur au Département de biologie cellulaire de Université John Hopkins.
« L’une des choses les plus importantes pour la médecine est la métastase du cancer. Lorsque vous avez une tumeur, les cellules migrent et sortent de la tumeur pour former une tumeur secondaire. Ainsi, les mouvements cellulaires sont très importants et peuvent être guidés. Ils peuvent être guidés par des produits chimiques. Et l’autre chose qui est vraiment surprenante, sur laquelle toute ma carrière a été basée sur la démonstration, c’est qu’ils peuvent aussi être guidés par des champs électriques.
Dans le iScience article, les chercheurs se sont concentrés sur le fait de dire aux cellules de devenir un type différent de cellules souches, ce qui pourrait être important dans le corps pour un traitement médical.
« Les gens utilisent des cocktails de produits chimiques pour dire aux cellules de devenir un certain type de cellule. Et plus récemment, ils utilisent l’optogénétique pour faire briller une lumière et inciter les cellules à devenir un certain type de cellule », a déclaré l’auteur principal de l’article iScience, Min Zhao, professeur de dermatologie à l’UC Davis School of Medicine. « Notre groupe MURI a découvert que nous pouvons réguler électriquement les cellules pour qu’elles deviennent certains types de cellules et que nous pouvons stimuler électriquement les cellules pour activer la signalisation intracellulaire. »
« Nous avons compris que les cellules peuvent être dirigées par des signaux chimiques ou lumineux », a ajouté Devreotes. « C’est une chose difficile à appliquer en médecine, en particulier au plus profond d’un tissu. Alors qu’un champ électrique a le potentiel de déplacer des cellules profondément à l’intérieur du corps. »
Approche intelligente
L’étude de l’équipe MURI publiée dans eVie a apporté de nouvelles informations sur la façon dont ces signaux électriques parviennent aux cellules, sur le temps que cela prend et sur la façon dont les cellules réagissent lorsqu’elles lisent les signaux, un processus connu sous le nom d’excitabilité.
« Dans l’activité électrique du cerveau, il est bien établi que les ondes et les oscillations sont ce que nous devons examiner lorsque nous essayons de comprendre comment il traite l’information », a déclaré Losert. « Maintenant, nous changeons d’objectif et disons que lorsque nous fournissons une entrée, nous devons également examiner la dépendance temporelle de l’entrée comme étant potentiellement porteuse d’informations. »
Une série d’approches biologiques intelligentes a conduit à des découvertes sur la façon dont les signaux électriques sont détectés par les cellules. Ces techniques ont été conçues par Qixin Yang, membre de l’équipe MURI (Ph.D. ’22, physique).
« Si vous mettez des cellules dans des champs électriques, elles peuvent se déplacer en fonction du champ électrique. C’est connu depuis longtemps, mais c’est encore un mystère sur la façon dont cela se produit », a déclaré Devreotes. « Ce que Qixin a fait, c’est se rapprocher de la réponse en visualisant certaines des molécules dans les cellules dont nous savons qu’elles font bouger les cellules et en voyant que ces molécules étaient directement influencées par le champ électrique. »
« Les cellules sont très petites, de sorte que vous ne pouvez pas distinguer le mouvement cellulaire global de la dynamique subcellulaire », a déclaré Yang. « Vous n’avez tout simplement pas cette résolution pour étudier la dynamique subcellulaire indépendamment du mouvement cellulaire. »
S’appuyant sur une idée du laboratoire de Devreotes, Yang a créé une grande toile pour obtenir ce qu’elle appelle une cellule géante.
« J’ai fusionné des dizaines de cellules ensemble en utilisant un choc électrique, de sorte que vous aurez de très grandes cellules géantes et une résolution plus fine pour observer la dynamique subcellulaire », a déclaré Yang. « Avec des cellules normales, ce que vous voyez est comme une fraction ou un fragment de cette grande toile. Mais avec des cellules géantes, vous aurez ce champ de vision complet. »
Avec cette grande toile, l’équipe a jeté son dévolu sur les ondes biomécaniques en tant que nouveau capteur potentiel de champs électriques. Losert, en collaboration avec John Fourkas, membre de l’équipe MURI et professeur de chimie et de biochimie à l’UMD, a identifié ces ondes comme des capteurs probables de la topographie de surface, une autre entrée physique des cellules.
« Qixin a montré que les ondes biomécaniques sont également dirigées directement par des champs électriques », a déclaré Losert. « Elle a développé des moyens de quantifier la durée des ondes dans les directions et a découvert que le champ électrique rapproche ces ondes du seuil d’excitabilité. »
L’équipe MURI continuera à travailler pour mieux comprendre le couplage entre les signaux électriques et les signaux biochimiques et biomécaniques.
« Ces deux articles mettent vraiment en évidence la façon dont ces signaux sont connectés », a déclaré Losert. « Je pense que ces deux observations d’informations dans le code Morse et la détection des champs électriques par les ondes sont nouvelles et fournissent un cadre pour comprendre quel type de dispositif peut fonctionner pour diriger le mouvement des cellules. »
Losert attribue les solides collaborations entre les chercheurs des différentes institutions au succès du MURI jusqu’à présent.
« Cinq équipes aux expertises différentes se sont réunies au sein de l’équipe MURI pour nous permettre de faire cette découverte », a déclaré Losert. « C’est une nouvelle perspective sur l’emplacement de l’information, ce que nous devrions ressentir sur les systèmes vivants et comment vous pourriez être en mesure d’actionner les systèmes vivants. »
Plus d’information:
Shuyao Gu et al, le suivi des cellules sans étiquette permet le phénotypage du mouvement collectif dans les monocouches épithéliales, iScience (2022). DOI : 10.1016/j.isci.2022.104678
Qixin Yang et al, Les ondes corticales médient la réponse cellulaire aux champs électriques, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.73198