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Des éclairs dans les cellules
À l'aide de nouvelles nanoparticules sensibles à la tension, les chercheurs ont découvert des champs électriques à l'intérieur des cellules aussi puissants que ceux produits dans les éclairs. Auparavant, il n'était possible de mesurer les champs électriques qu'à travers les membranes cellulaires, et non dans la masse principale des cellules. On ne sait pas exactement ce qui cause ces champs puissants ou ce qu'ils pourraient signifier. Mais maintenant qu'il est possible de les mesurer, les chercheurs espèrent en savoir plus sur les états pathologiques tels que le cancer en étudiant ces champs électriques.
La cellule électrique : Encapsulés dans une coque en polymère d'à peine 30 nanomètres de diamètre, les colorants sensibles à la tension (rouge) émettent une lumière rouge et verte lorsqu'ils sont éclairés par une lumière bleue. Ces colorants encapsulés permettent de mesurer les champs électriques à l'intérieur des cellules.
Des chercheurs de l'Université du Michigan dirigés par un professeur de chimie Raoul Kopelman colorants sensibles à la tension encapsulés dans des sphères polymères de seulement 30 nanomètres de diamètre. Lorsqu'ils sont éclairés par une lumière bleue, les colorants sensibles à la tension émettent un mélange de lumière rouge et verte ; la fréquence exacte de la lumière émise est influencée par la force des champs électriques locaux, permettant aux chercheurs de mesurer ces champs. En testant ces nanoparticules dans le liquide interne des cellules cancéreuses du cerveau, Kopelman a trouvé des champs électriques aussi forts que 15 millions de volts par mètre, peut-être cinq fois plus forts que le champ trouvé dans un éclair.
Ils ont développé un outil qui vous permet d'observer les changements cellulaires à un niveau très local, explique Piotr Grodzinski , directeur de l'Institut national du cancer Alliance pour les nanotechnologies dans le cancer . Les techniques traditionnelles pour étudier la maladie au niveau des tissus font la moyenne des différences entre les cellules. Grodzinski dit que de nombreux développements dans la recherche sur le cancer au cours des dernières années ont été plus réactifs, travaillant au développement de diagnostics pour attraper la maladie à ses premiers stades et pour mieux prédire à quels médicaments les patients répondront. Malgré le chemin parcouru dans les traitements contre le cancer, la façon dont le cancer évolue au niveau cellulaire n'est toujours pas très bien comprise. Avec une meilleure compréhension, les chercheurs espèrent améliorer encore les diagnostics et les soins personnalisés. Ce développement représente une tentative de commencer à utiliser des outils à l'échelle nanométrique pour comprendre comment la maladie se développe, explique Grodzinski.
Jerry S.H. Lee , chef de projet en nanotechnologie également au National Cancer Institute, affirme que la recherche de Kopelman renforce l'ensemble d'outils à l'échelle nanométrique que les scientifiques développent pour sonder les propriétés physiques des cellules, telles que des sondes microscopiques spéciales pour mesurer la rigidité cellulaire. (Voir The Feel of Cancer Cells .) Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont amélioré le diagnostic du cancer en examinant les marqueurs protéiques et les signatures génétiques. Maintenant, ils réfléchissent à la façon dont la nanotechnologie peut créer des outils pour examiner des signatures supplémentaires comme les champs électriques, explique Lee.
Les colorants sensibles à la tension ne sont pas nouveaux. Pendant des décennies, les neuroscientifiques les ont utilisés pour mesurer les tensions à travers les membranes cellulaires dans des études sur la façon dont les cellules nerveuses génèrent et répondent aux charges électriques. Mais Kopelman dit qu'il n'est pas possible de contrôler le placement de ces colorants dans les cellules. Ils sont hydrophobes et s'agrègent dans les membranes cellulaires, il n'a donc pas été possible de les utiliser pour étudier le cytosol, la majeure partie de l'intérieur de la cellule. Kopelman dit également que ces colorants pourraient réagir avec des enzymes et d'autres molécules dans les cellules. Ses colorants encapsulés ne sont pas hydrophobes et peuvent fonctionner n'importe où dans la cellule, pas seulement dans les membranes. Parce qu'il est possible de placer ses colorants encapsulés dans une cellule avec un plus grand degré de contrôle, Kopelman les compare à des voltmètres. Les nanovoltmètres ne perturbent pas l'environnement [cellulaire] et vous pouvez contrôler où vous les placez, dit-il.
L'existence de champs électriques puissants à travers les membranes cellulaires est acceptée comme un fait fondamental de la biologie cellulaire. Le maintien de gradients de molécules chargées et d'ions permet de nombreuses fonctions cellulaires, du contrôle du volume cellulaire aux décharges électriques des cellules nerveuses et musculaires.
Le fait que les cellules aient des champs électriques internes, cependant, est surprenant. Kopelman a présenté ses résultats lors de la réunion annuelle du Société américaine de biologie cellulaire ce mois-ci. Il n'y a eu aucun scepticisme quant aux mesures, dit Kopelman. Mais nous n'avons pas d'interprétation.
Daniel Chu de l'Université de Washington à Seattle convient que le travail de Kopelman fournit une preuve de concept que les cellules ont des champs électriques internes. C'est forcément important, mais personne ne l'a encore examiné, dit Chu.
Grodzinski dit qu'une application intéressante des voltmètres sera d'examiner s'il existe une différence dans les signaux électriques entre les cellules saines et malades, et si différents stades de la maladie pourraient avoir des signatures électriques caractéristiques. Pour évaluer la viabilité de la technique, les chercheurs devront commencer à la lier à la biologie en étudiant les lignées cellulaires de la clinique, explique Grodzinski. C'est une première démonstration.