Pour la première fois, les chercheurs peuvent obtenir une vue haute résolution de cellules souches sanguines uniques grâce à un peu d’aide de la microscopie et du poisson zèbre.
Des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison et de l’Université de Californie à San Diego ont mis au point une méthode permettant aux scientifiques de suivre une seule cellule souche sanguine dans un organisme vivant, puis de décrire l’ultrastructure, ou l’architecture, de cette même cellule à l’aide de la microscopie électronique. Cette nouvelle technique aidera les chercheurs à développer des thérapies pour les maladies du sang et les cancers.
« Actuellement, nous examinons les cellules souches dans les tissus avec un nombre limité de marqueurs et à faible résolution, mais nous manquons tellement d’informations », déclare Owen Tamplin, professeur adjoint au département de biologie cellulaire et régénérative de l’UW-Madison, membre du Stem Cell & Regenerative Medicine Center, et co-auteur de la nouvelle étude, qui a été publiée le 9 août dans eVie. « Grâce à nos nouvelles techniques, nous pouvons désormais voir non seulement la cellule souche, mais également toutes les cellules de niche environnantes qui sont en contact. »
La niche est un microenvironnement trouvé dans des tissus comme la moelle osseuse qui contiennent les cellules souches sanguines qui soutiennent le système sanguin. La niche est celle où des interactions spécialisées entre les cellules souches sanguines et leurs cellules voisines se produisent chaque seconde, mais ces interactions sont difficiles à suivre et ne sont pas clairement comprises.
Dans le cadre de la nouvelle étude, Tamplin et son co-auteur principal, Mark Ellisman, professeur de neurosciences à l’UC San Diego, ont identifié un moyen d’intégrer plusieurs types d’imagerie microscopique pour étudier la niche d’une cellule. Grâce à la technique nouvellement développée qui utilise la microscopie confocale, la microscopie à rayons X et la microscopie électronique à balayage en série, les chercheurs pourront désormais suivre les interactions cellule-cellule autrefois insaisissables qui se produisent dans cet espace.
« Cela nous a permis d’identifier des types de cellules dans le microenvironnement dont nous ne savions même pas qu’ils interagissaient avec les cellules souches, ce qui ouvre de nouvelles directions de recherche », déclare Tamplin.
Dans le cadre de cette étude, Tamplin et ses collègues, dont les co-premiers auteurs Sobhika Agarwala et Keunyoung Kim, ont identifié des cellules ganglionnaires positives à la dopamine bêta-hydroxylase, qui étaient auparavant un type de cellule non caractérisé dans la niche des cellules souches sanguines. Ceci est crucial, car la compréhension du rôle des neurotransmetteurs comme la dopamine dans la régulation des cellules souches sanguines pourrait conduire à une meilleure thérapeutique.
« Les cellules souches sanguines transplantées sont utilisées comme thérapie curative pour de nombreuses maladies du sang et cancers, mais les cellules souches sanguines sont très rares et difficiles à localiser dans un organisme vivant », explique Tamplin. « Il est donc très difficile de les caractériser et de comprendre comment ils interagissent et se connectent aux cellules voisines. »
Alors que les cellules souches sanguines sont difficiles à localiser dans la plupart des organismes vivants, la larve de poisson zèbre, qui est transparente, offre aux chercheurs une occasion unique de visualiser plus facilement le fonctionnement interne de la niche des cellules souches sanguines.
« C’est ce qui est vraiment bien avec le poisson zèbre et la possibilité d’imager les cellules », déclare Tamplin à propos de la qualité transparente de l’animal. « Chez les mammifères, les cellules souches du sang se développent in utero dans la moelle osseuse, ce qui rend pratiquement impossible de voir ces événements se produire en temps réel. Mais, avec le poisson zèbre, vous pouvez réellement regarder la cellule souche arriver par la circulation, trouver la niche, s’attacher à puis allez y loger. »
Alors que la larve de poisson zèbre permet de voir plus facilement le développement des cellules souches sanguines, une imagerie spécialisée est nécessaire pour trouver ces petites cellules et ensuite détailler leur ultrastructure. Tamplin et ses collègues ont passé plus de six ans à perfectionner ces techniques d’imagerie. Cela leur a permis de voir et de suivre le développement en temps réel d’une cellule souche sanguine dans le microenvironnement d’un organisme vivant, puis de zoomer encore plus sur la même cellule à l’aide de la microscopie électronique.
« Tout d’abord, nous avons identifié des cellules souches uniques marquées par fluorescence par feuille de lumière ou microscopie confocale », explique Tamplin. « Ensuite, nous avons traité le même échantillon pour la microscopie électronique à balayage en série. Nous avons ensuite aligné les ensembles de données de microscopie optique et électronique 3D. En croisant ces différentes techniques d’imagerie, nous avons pu voir l’ultrastructure de cellules rares uniques profondément à l’intérieur d’un tissu. Cela nous a également permis de trouver toutes les cellules de niche environnantes qui entrent en contact avec une cellule souche sanguine. Nous pensons que notre approche sera largement applicable pour la lumière corrélative et la microscopie électronique dans de nombreux systèmes.
Tamplin espère que cette approche pourra être utilisée pour de nombreux autres types de cellules souches, telles que celles de l’intestin, des poumons et du microenvironnement tumoral, où les cellules rares doivent être caractérisées à une résolution nanométrique. Mais, en tant que biologiste du développement, Tamplin est particulièrement enthousiaste à l’idée de voir comment ce travail peut améliorer la compréhension des chercheurs sur la formation du microenvironnement des cellules souches sanguines.
« Je pense que c’est vraiment excitant parce que nous générons toutes nos cellules souches sanguines au cours du développement embryonnaire, et selon l’organisme que vous êtes, quelques centaines ou peut-être quelques milliers de ces cellules souches finiront par produire des centaines de milliards de nouveau sang. cellules chaque jour tout au long de votre vie », explique Tamplin.
« Mais nous ne savons vraiment pas grand-chose sur la façon dont les cellules souches trouvent d’abord leur maison dans la niche où elles vont rester pour le reste de la vie de l’organisme. Cette recherche nous aidera vraiment à comprendre comment les cellules souches se comportent et Une meilleure compréhension du comportement des cellules souches et de la régulation par les cellules de niche environnantes pourrait conduire à de meilleures thérapies à base de cellules souches.
Sobhika Agarwala et al, Définition de l’ultrastructure de la niche des cellules souches hématopoïétiques par microscopie lumineuse et électronique corrélative, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.64835