Des chercheurs en sciences de la vie et en photonique de l’Université de Tampere ont fait une découverte remarquable en étudiant la réponse des cellules superficielles aux stimuli mécaniques. En simulant la déformation de la matrice extracellulaire située sous les cellules, les chercheurs ont montré que les cellules détectent rapidement même des changements mineurs dans leur environnement et que leur réponse est plus complexe que prévu. Cette découverte pourrait aider à mieux comprendre, par exemple, les processus liés à la formation de métastases cancéreuses.
Dans le cadre de ce projet commun, trois groupes de recherche ont étudié comment les cellules épithéliales détectent de petits changements dans leur environnement via les canaux ioniques. L’étude a été menée à l’aide de matériaux sensibles à la lumière développés par le groupe de recherche Smart Photonics Materials dirigé par le professeur Arri Priimägi, qui peuvent être utilisés comme substrat pour la culture cellulaire. Ces matériaux permettent un mouvement précis et contrôlable du substrat cellulaire grâce à la stimulation lumineuse.
« Les cellules avaient une protéine marqueur pour le calcium intracellulaire, nous avons donc pu dessiner de petites rainures sur la surface du substrat sur un microscope confocal et en même temps surveiller comment les cellules vivantes réagissent à ces changements dans l’environnement avec l’aide du calcium. » déclare Teemu Ihalainen, chercheur principal à l’Institut d’études avancées de Tampere (IAS) et chef du groupe de recherche en biophysique cellulaire de la Faculté de médecine et de technologie de la santé.
« Nous avons découvert que même le mouvement de quelques dizaines de nanomètres de matériau ouvrait des canaux calciques mécaniquement fermés dans les cellules, grâce auxquels les cellules pouvaient modifier leurs niveaux de calcium. »
Le calcium est nécessaire aux cellules pour une grande variété de processus, de sorte que même de petits changements dans la quantité de calcium peuvent avoir des effets importants sur les fonctions cellulaires. L’étude montre, peut-être pour la première fois, que les cellules sont capables de détecter des mouvements infimes dans leur environnement et que ces mouvements sont détectés en modifiant le flux d’ions calcium à travers la membrane cellulaire, c’est-à-dire électriquement via des courants ioniques.
L’étude s’est concentrée sur les modifications intracellulaires du calcium au cours des premières secondes du stimulus mécanique. Un article intitulé « La déformation nanométrique induite par la lumière dans un film mince d’azobenzène déclenche une augmentation rapide du Ca2+ intracellulaire via des canaux cationiques mécanosensibles », qui constitue un élément clé de la thèse de la doctorante Heidi Peussa, a été publié. publié dans la revue Science avancée.
L’indicateur de calcium exprimant des cellules épithéliales a été cultivé sur un substrat de verre Dispersive Red 1 (DR1). La déformation du substrat et le changement topographique ont été induits en générant des motifs en forme de lignes sur la surface avec une lumière laser de 488 nm. L’augmentation de la luminosité de l’image (avant/après) indique une augmentation rapide de la concentration de calcium dans les cellules. Crédit : Heidi Peussa, Université de Tampere
Canal ionique à déclenchement mécanique comme clé
Dans l’organisme, les cellules épithéliales sont étroitement liées à la matrice extracellulaire, ce qui permet par exemple de transmettre aux cellules les contraintes mécaniques de l’environnement. Les stimuli mécaniques sont importants dans le fonctionnement normal des cellules. La perturbation de l’attachement cellulaire provoque souvent des maladies ou d’autres problèmes.
Les cellules détectent les changements dans leur environnement de diverses manières, par exemple grâce aux canaux ioniques PIEZO1 à déclenchement mécanique. Les canaux peuvent être compris comme des pores de la membrane cellulaire qui sont fermés dans un état mécaniquement détendu, mais s’ouvrent lorsque la membrane cellulaire s’étire. L’ouverture se produit en millièmes de seconde et entraîne un afflux de calcium dans la cellule. Le processus joue un rôle clé dans de nombreuses fonctions physiologiques, par exemple dans la sensation tactile. La découverte de canaux ioniques à déclenchement mécanique a reçu le prix Nobel en 2021.
L’étude a montré que les canaux PIEZO1 sont essentiels pour détecter les changements rapides dans le microenvironnement cellulaire.
« Nous avons découvert que les cellules sont capables de détecter des déformations aussi petites que 40 nanomètres (0,000040 mm) qui se produisent en millièmes de seconde. Pour la première fois, nous avons pu surveiller la façon dont le canal PIEZO1 s’ouvre à la suite d’un changement physique dans l’environnement extracellulaire local », explique Ihalainen.
De nouvelles possibilités pour étudier les processus cellulaires de l’œil
La méthode utilisée par les chercheurs est nouvelle et permet d’étudier notamment le stimulus mécanique de la matrice extracellulaire et de suivre simultanément les réponses cellulaires. D’autres recherches sur le fonctionnement du canal PIEZO01 sont déjà en cours. En outre, l’objectif des chercheurs est d’étudier et de développer de nouveaux matériaux sensibles à la lumière.
« Nos prochaines étapes consistent à étudier la régulation et les facteurs régulateurs de ces canaux ioniques à déclenchement mécanique. L’objectif est également de mieux comprendre ce qui se passe après les premières secondes dans la perception de la sensation de force », explique Soile Nymark, professeur agrégé. de technologie des biocapteurs et chef du groupe de recherche en biophysique de l’œil à la Faculté de médecine et de technologie de la santé.
« Nous développons de nouvelles lignées cellulaires transgéniques pour étudier plus en détail la signalisation calcique à différents endroits de la cellule. Ces lignées cellulaires transgéniques nous permettent également d’étendre les études à l’épithélium pigmentaire rétinien sous-jacent de l’œil et d’étudier le rôle des canaux PIEZO1 dans le maintien de la rétine. , »
Plus d’information:
Heidi Peussa et al, La déformation à l’échelle nanométrique induite par la lumière dans la couche mince d’azobenzène déclenche une augmentation rapide du Ca2+ intracellulaire via des canaux cationiques mécanosensibles, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202206190