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Contrôler le comportement des cellules avec des aimants
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré un moyen de contrôler les fonctions cellulaires avec un signal physique plutôt que chimique. En utilisant un champ magnétique pour rassembler de minuscules billes ciblées sur des récepteurs cellulaires particuliers, les chercheurs de Harvard ont obligé les cellules à absorber le calcium, puis à s'arrêter, puis à le reprendre. Leurs travaux sont les premiers à prouver qu'un tel niveau de contrôle sur les cellules est possible. Si l'approche peut être utilisée avec de nombreux types de cellules et fonctions cellulaires, elle pourrait conduire à une toute nouvelle classe de thérapies qui reposent sur les cellules elles-mêmes pour fabriquer et libérer des médicaments.
Commutateur de cellule : Les cellules immunitaires recouvertes de nanoparticules absorbent le calcium en présence d'un champ magnétique. Chaque nanoparticule mesure environ 30 nanomètres de diamètre. Dans cette image, les cellules jaunes absorbent le calcium en réponse à un champ magnétique localisé. Les cellules les plus éloignées du champ sont représentées en violet et n'absorbent pas le calcium.
La recherche, publiée dans la revue Nature Nanotechnologie , était dirigé par Donald Ingber , professeur de pathologie à la Harvard Medical School et coprésident du Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . Le groupe d'Ingber a démontré sa méthode de contrôle biomagnétique en utilisant un type de cellule du système immunitaire qui médie les réactions allergiques. Des nanoparticules ciblées avec des noyaux d'oxyde de fer ont été utilisées pour imiter les antigènes in vitro. Chacun est attaché à une molécule qui à son tour peut s'attacher à un seul récepteur sur une cellule immunitaire. Lorsqu'Ingber expose les cellules liées à ces particules à un champ magnétique faible, les nanoparticules deviennent magnétiques et se rapprochent, rassemblant les récepteurs cellulaires attachés en grappes. Cela amène les cellules à absorber du calcium. (Dans le corps, cela déclencherait une chaîne d'événements qui amènerait les cellules à libérer de l'histamine.) Lorsque le champ magnétique est éteint, les particules ne sont plus attirées les unes vers les autres, les récepteurs se séparent et l'afflux de calcium s'arrête. .
Ce n'est pas la chimie ; c'est la proximité qui active de tels récepteurs, dit Ingber.
L'approche pourrait avoir un impact de grande envergure, car de nombreux récepteurs cellulaires importants sont activés de la même manière et pourraient être contrôlés à l'aide de la méthode d'Ingber.
Ces dernières années, on s'est rendu compte que les événements physiques, et pas seulement les événements chimiques, sont importants pour la fonction cellulaire, dit Shu Chien , bioingénieur à l'Université de Californie à San Diego. Les chercheurs ont sondé les effets des forces physiques sur les cellules, par exemple en les écrasant entre des plaques ou en tirant des sondes sur leurs surfaces. Mais aucune de ces techniques ne fonctionne à un niveau de contrôle aussi fin que les billes magnétiques d'Ingber, qui agissent sur des biomolécules uniques.
Jusqu'à présent, il n'y a pas eu beaucoup de contrôle [sur les cellules] à cette échelle, dit Larry Nagahara , chef de projet à l'Alliance for Nanotechnology in Cancer du National Cancer Institute et professeur de physique à l'Arizona State University.
De nombreux médicaments, des anticorps anticancéreux aux hormones, agissent en activant les récepteurs cellulaires. Une fois qu'une hormone est dans le sang, cependant, il n'est pas possible de l'activer ou de la désactiver. Cela montre que vous pouvez activer et désactiver le signal, et que vous pouvez le faire instantanément, dit Christophe Chen , bio-ingénieur à l'Université de Pennsylvanie. C'est quelque chose qui est difficile à faire, par exemple, avec un anticorps.
Ingber a de nombreuses idées d'appareils qui pourraient intégrer sa méthode de contrôle cellulaire. Les stimulateurs magnétiques pourraient utiliser des cellules au lieu d'électrodes pour envoyer des impulsions électriques au cœur. Les usines de médicaments implantables peuvent contenir de nombreux groupes de cellules, chacune produisant un médicament différent lorsqu'elle est activée par un signal magnétique. Le contrôle biomagnétique pourrait conduire à des ordinateurs capables de tirer parti de la puissance de traitement des cellules. Les cellules font des choses complexes comme le traitement d'images bien mieux que les ordinateurs, dit Ingber. Ingber, qui a lancé le projet en réponse à un appel de la Defense Advanced Research Projects Agency pour de nouvelles interfaces cellule-machine, reconnaît que son travail en est à ses débuts. Dans cinquante ans, cependant, il s'attend à ce qu'il y ait des dispositifs qui s'interfacent de manière transparente entre les cellules vivantes et les machines.
D'autres chercheurs sont d'accord. Le contrôle biomagnétique d'Ingber pourrait représenter un nouveau mécanisme pour les interfaces homme-machine, selon Chien de l'UC San Diego. Mais avant que de telles interfaces puissent être développées, explique Chen, ingénieur de l'Université de Pennsylvanie, les chercheurs doivent en apprendre beaucoup plus sur les cellules.
Supposons que nous ayons des cellules sur une puce et que nous sachions quel comportement nous voulons susciter, comme faire pénétrer une cellule souche dans un site de plaie et initier des réparations, explique Chen. Nous ne savons pas quels événements de signalisation doivent se produire pour mettre la cellule dans le bon état afin qu'elle prenne l'action souhaitée.
À court terme, Chen dit que la méthode d'Ingber pourrait aider les biologistes à acquérir des connaissances cruciales sur la signalisation cellulaire, comme la façon dont ces signaux sont traités chimiquement et physiquement par la cellule, et comment ils conduisent à des résultats particuliers, de l'absorption du calcium aux changements dans l'expression des gènes. . Il fournit un outil qui nous permet de modifier la cellule et de voir ce qui se passe, explique Chen.