Crédit : Barth van Rossum pour Caltech
Si vous êtes un chercheur qui veut voir comment se comportent quelques cellules d’un organisme, ce n’est pas une tâche simple. Le corps humain contient environ 37 billions de cellules; la mouche des fruits qui vole autour des bananes trop mûres sur votre comptoir pourrait avoir 50 000 cellules. Même Caenorhabditis elegans, un petit ver couramment utilisé en recherche biologique, peut contenir jusqu’à 3 000 cellules. Alors, comment surveillez-vous quelques taches microscopiques au milieu de tout cela ?
Les scientifiques travaillant dans le laboratoire Caltech de Mikhail G. Shapiro, professeur de génie chimique et chercheur au Heritage Medical Research Institute, ont trouvé un moyen.
La nouvelle technique utilise des gènes rapporteurs acoustiques, dont Shapiro a été un développeur pionnier. Pour comprendre les gènes rapporteurs acoustiques, sachez d’abord que les gènes rapporteurs sont un extrait spécialisé de ADN que les chercheurs peuvent insérer dans le génome d’un organisme pour les aider à comprendre ce qu’il fait. Historiquement, les gènes rapporteurs ont codé des protéines fluorescentes. Par exemple, si un chercheur insère l’un de ces gènes rapporteurs à côté d’un gène qu’il souhaite étudier, disons le gène responsable du développement des neurones, l’activation de ces gènes neuronaux produira également des molécules de protéines fluorescentes. Lorsque le bon type de lumière est projeté sur ces cellules, elles s’allument, un peu comme un surligneur peut marquer un passage spécifique dans un livre.
Ces gènes rapporteurs fluorescents ont cependant un gros inconvénient : la lumière ne pénètre pas très loin à travers les tissus vivants.
Ainsi, Shapiro a développé gènes rapporteurs qui utilisent le son au lieu de la lumière. Ces gènes, lorsqu’ils sont insérés dans le génome d’une cellule, lui permettent de produire des structures protéiques creuses microscopiques appelées vésicules de gaz. Ces vésicules se trouvent normalement dans certaines espèces de bactéries qui les utilisent pour rester à flot dans l’eau, mais elles ont également la propriété utile de « sonner » lorsqu’elles sont frappées par des ondes ultrasonores.
L’idée est que lorsqu’une cellule produisant ces vésicules est imagée par ultrasons, elle enverra un signal acoustique annonçant sa présence, permettant aux chercheurs de voir où elle se trouve et ce qu’elle fait. Cette technique a été utilisée pour montrer l’activité des enzymes dans les cellules dans des travaux antérieurs du laboratoire de Shapiro.
Dans leur dernier article, l’équipe de recherche décrit comment elle a tellement augmenté la sensibilité de cette technique qu’elle peut désormais imager une seule cellule, située dans les tissus corporels, qui porte un gène rapporteur acoustique.
Des cellules isolées traversant le foie d’une souris sont mises en évidence par une nouvelle technique d’imagerie développée dans le laboratoire de Mikhail Shapiro. Crédit : Caltech/Daniel Sawyer, Shapiro Lab
“Par rapport aux travaux antérieurs sur les vésicules de gaz, cet article nous permet de voir des quantités beaucoup plus petites de ces vésicules de gaz”, explique Daniel Sawyer (PhD ’21), auteur principal et ancien doctorant en bio-ingénierie dans le laboratoire de Shapiro. « C’est comme passer d’un satellite qui peut voir les lumières d’une petite ville à un autre qui peut voir la lumière d’un seul lampadaire. »
Leurs améliorations représentent une augmentation de la sensibilité de plus de 1000 fois par rapport à la technique précédente qu’ils utilisaient pour l’imagerie des cellules portant les gènes rapporteurs acoustiques. La différence réside dans les ultrasons qu’ils utilisent et dans la façon dont les vésicules de gaz y réagissent.
Alors que la technique d’imagerie précédente reposait sur les vésicules sonnant comme une cloche qui a été frappée, la nouvelle technique utilise des ultrasons plus puissants qui « font éclater » les vésicules comme un ballon.
“Les vésicules produisent un signal très fort à ce moment-là”, explique Shapiro. « Ensuite, les vésicules se brisent et cessent de faire un signal. Nous recherchons le petit coup.
Ce blip est si clair qu’il peut être facilement détecté par les chercheurs, même au milieu de tout le bruit de fond produit par les ultrasons pénétrant à travers les tissus. Shapiro dit que des travaux récents sur des souches modifiées de bactéries injectables qui attaquent les cellules cancéreuses, ou bactéries « tumoro-homing », créent un besoin de meilleurs moyens de suivre ces cellules pour voir où elles atterrissent dans le corps. Les chercheurs ont montré que lorsque les bactéries étaient également conçues pour porter le gène de la vésicule gazeuse, il était possible de suivre les cellules bactériennes individuelles lorsqu’elles entraient et traversaient le foie après avoir été injectées dans la circulation sanguine.
Sawyer dit que ce niveau de sensibilité est nécessaire si les chercheurs veulent utiliser les ultrasons pour étudier la composition du microbiome intestinal, qui, lorsqu’il est perturbé, peut influencer des conditions telles que Alzheimer maladie et autisme.
“Il y a tellement d’espèces de bactéries dans votre intestin, et certaines sont si rares que vous avez besoin de quelque chose d’assez sensible pour voir seulement quelques-unes d’entre elles profondément à l’intérieur du corps”, dit-il.
Est-ce que faire éclater les vésicules à l’intérieur des cellules endommage les cellules ? Non, pas vraiment.
“La réponse courte est non, et la réponse longue est non dans la plupart des cas pratiques”, explique Sawyer. « Il y a des cas où des cellules bactériennes uniques qui sont très petites et ont une très grande quantité de ces vésicules de gaz sont endommagées, mais cela ne fait pas beaucoup de différence pour la population bactérienne si quelques-unes d’entre elles deviennent moins viables. Et dans les cellules de mammifères, nous n’avons vu aucun effet négatif. »
Shapiro et Sawyer poursuivent deux voies pour leurs recherches à l’avenir. Une voie s’appuiera sur ce que les chercheurs ont déjà développé pour créer des techniques d’imagerie plus avancées. Cela impliquera l’ingénierie et le test de nouveaux types de vésicules qui ont des propriétés différentes, telles que des vésicules qui éclatent plus facilement, ou des vésicules plus robustes, ou des vésicules plus petites qui peuvent s’insérer dans des endroits que les vésicules plus grandes ne peuvent pas. L’autre voie consiste à trouver des applications pratiques pour la technologie qu’ils ont développée, dit Sawyer.
« Dans le domaine de la microscopie optique, il y a eu cette co-évolution des sondes optiques et des méthodes de microscopie avec des techniques comme la microscopie à deux photons et la microscopie à feuillets lumineux. [both are types of fluorescent microscopy]”, dit Shapiro. « L’article de Danny fait partie du développement de l’analogue à ultrasons de ces techniques d’imagerie.
L’article décrivant leur recherche, intitulé « Imagerie ultrasonore ultrasensible de l’expression des gènes avec unmixage du signal », paraît dans le numéro du 6 août de la revue. Méthodes naturelles. Les co-auteurs incluent Avinoam Bar Zion, visiteur en génie chimique; Arash Farhadi (PhD ’20); Shirin Shivaei, étudiante diplômée en bio-ingénierie; Bill Ling, étudiant diplômé en génie chimique; et Audrey Lee-Gosselin, anciennement de Caltech.
Référence : « Ultrasensitive Ultrasher Imaging of gene expression with signal unmixing » par Daniel P. Sawyer, Avinoam Bar-Zion, Arash Farhadi, Shirin Shivaei, Bill Ling, Audrey Lee-Gosselin et Mikhail G. Shapiro, 5 août 2021, Méthodes naturelles.
DOI : 10.1038/s41592-021-01229-w
Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health.
Mikhail Shapiro est membre du corps professoral affilié de la Institut de neurosciences Tianqiao et Chrissy Chen.
