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Des tissus qui se construisent
Les cellules recouvertes de morceaux d'ADN collants peuvent s'auto-assembler en microstructures tridimensionnelles fonctionnelles. Cette approche ascendante de l'ingénierie tissulaire, développée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l'Université de Californie à Berkeley, fournit une nouvelle solution à l'un des plus grands problèmes du domaine : la création de tissus multicellulaires avec des structures définies. Contrairement aux méthodes descendantes, dans lesquelles les scientifiques construisent des structures cellulaires sur des échafaudages, la nouvelle technique permet aux ingénieurs tissulaires de dicter les interactions géométriques précises des cellules individuelles.
Double problème : Deux grappes se sont réunies pour former un microtissu plus grand et plus complexe sur le plan structurel. En peaufinant les variables et en ajoutant des cellules par itérations successives, les chercheurs espèrent générer des assemblages de plus en plus sophistiqués.
Les chercheurs ont commencé avec deux types de cellules, l'un qui sécrète une protéine, appelée facteur de croissance, dont l'autre a besoin pour se développer. Coauteur Zev Gartner , maintenant chimiste pharmaceutique à l'Université de Californie à San Francisco, a décoré les cellules avec des extraits d'ADN simple brin, attachés à l'aide de sucres spécialisés incorporés dans la membrane cellulaire. Les deux types de cellules portaient des brins d'ADN complémentaires, qui agissaient comme une sorte de velcro. Lorsque les différentes cellules ont été combinées, leurs fragments d'ADN complémentaires se sont joints en double brin, reliant les cellules entre elles. Jointes à leurs partenaires producteurs de protéines, les cellules dépendantes des protéines s'épanouissent. Sans le revêtement d'ADN, les deux types de cellules ne peuvent pas communiquer et les cellules dépendantes meurent.
En faisant varier les concentrations relatives des deux types de cellules, les chercheurs ont pu manœuvrer les cellules dans des configurations particulières. Par exemple, lorsque les cellules étaient combinées dans un rapport de un pour un, elles formaient simplement des paires. Mais lorsque les cellules dépendantes du facteur de croissance étaient largement plus nombreuses que leurs homologues, elles formaient des amas tridimensionnels caractéristiques avec une seule cellule sécrétant un facteur de croissance au centre. Les résultats sont apparus lundi dans la première édition en ligne de Actes de l'Académie nationale des sciences .
Cette approche offre une nouvelle façon de recréer la complexité des tissus, dit Ali Khademhosseini , professeur adjoint à la division des sciences et technologies de la santé de Harvard-MIT et à la Harvard Medical School, qui n'a pas participé à l'étude. La plupart des méthodes d'ingénierie tissulaire produisent des structures tridimensionnelles à l'aide de matériaux d'échafaudage.
Une fois les microstructures formées, Gartner et son collègue Carolyn Bertozzi , directeur du centre de recherche en nanosciences Molecular Foundry au Berkeley Lab, les a piégés dans un gel et les a imagés en trois dimensions à l'aide d'un microscope à fluorescence. Parce que l'ADN de la surface cellulaire n'est pas stable à long terme, on ne sait pas encore combien de temps les structures tiendront d'elles-mêmes. Les chercheurs étudient actuellement si les cellules liées commenceront à générer leurs propres molécules d'adhésion naturelles pour les maintenir attachées une fois que les liaisons ADN auront disparu.
Jusqu'à présent, ces microstructures sont rudimentaires, loin de la sophistication structurelle d'un organe entier. Mais en ajustant le rapport des types de cellules, la densité d'ADN à la surface des cellules et la complexité des séquences d'ADN, Gartner et Bertozzi espèrent construire des assemblages plus grands et plus complexes. En jouant avec ces variables, nous pouvons biaiser le type de structure que nous créons, explique Gartner.
Vidéo
Velcro cellulaire : Dans une nouvelle approche de l'ingénierie tissulaire ascendante, deux types cellulaires différents s'assemblent spontanément en des microstructures tridimensionnelles comme celle-ci lorsque leurs surfaces sont parsemées de simples brins d'ADN collants. Parce que l'ADN des globules rouges est complémentaire de celui des cellules vertes, ils se collent naturellement les uns aux autres, maintenant les cellules à proximité.
Crédit : Bertozzi Lab
Bien que cette nouvelle méthode ne soit pas la première à aborder l'ingénierie tissulaire de bas en haut, Gartner affirme qu'elle est la seule capable d'une résolution suffisamment fine pour définir comment les cellules individuelles interagissent avec leurs voisines. Et même s'il s'avère que cette technique ne se développe pas bien, dit-il, elle pourrait en principe fournir des blocs de construction structurels à utiliser dans d'autres approches ascendantes émergentes, telles que l'impression de tissus couche par couche ou la manipulation laser.
Khademhosseini dit qu'il est trop tôt pour dire si la nouvelle technique produira éventuellement des tissus adaptés à une utilisation en médecine régénérative. Il a beaucoup de potentiel, et il peut fournir des thérapies à l'avenir, mais d'autres défis doivent être surmontés pour faire un produit cliniquement viable, dit-il. Par exemple, il reste à voir d'où viendraient les cellules pour faire croître le tissu et comment le corps générerait de nouveaux vaisseaux sanguins pour nourrir le tissu transplanté.
Dan Dimitrijevitch , directeur des laboratoires d'ingénierie des tissus humains et des cellules du Centre des sciences de la santé de l'Université du Texas du Nord, est plus sceptique. Il doute que la nouvelle approche soit capable de générer des tissus stables, sûrs et fonctionnels qui résistent lorsqu'ils sont transplantés dans un organisme vivant réel. C'est une science intéressante, dit-il, mais en ce qui concerne l'ingénierie tissulaire, elle s'étend vraiment.
Même si cela ne fonctionne pas en termes de médecine régénérative, Gartner pense que la technique pourrait toujours s'avérer utile en tant qu'outil pour étudier comment différents types de cellules communiquent, par exemple dans le processus de génération d'une tumeur. Cela nous donne maintenant un nouvel outil pour extraire ces structures d'un hôte humain - où elles sont évidemment très difficiles à étudier pour un certain nombre de raisons techniques et éthiques - et les mettre dans un flacon où nous pouvons les étudier en détail sur une longue période. périodes de temps, dit-il.