Les cellules vibrantes révèlent leurs maux

Faisant le pont entre la physique, l'ingénierie et la microbiologie, les chercheurs du MIT ont mesuré la fréquence à laquelle les globules rouges vibrent et ont montré que ces fréquences reflètent la santé des cellules. La recherche pourrait conduire à de meilleurs diagnostics médicaux.

Cellules vibrantes : Michael Feld et Subra Suresh du MIT, à l'aide d'une technique développée dans le laboratoire de Feld, ont pu imager les vibrations de la membrane d'une cellule sanguine infectée par le parasite du paludisme (en haut). La technique de Feld a également fourni des images de l'intérieur des cellules (en bas), permettant aux chercheurs de corréler les fréquences vibratoires des cellules avec la progression de la maladie.

Le travail a été réalisé en collaboration entre le physicien du MIT Michael Champ et Subra Suresh , doyen de l'école d'ingénierie du MIT et scientifique des matériaux. Feld dirige le Laser Biomedical Research Center du MIT, qui a développé une technique d'imagerie capable de créer des images tridimensionnelles de cellules vivantes. Le laboratoire de Suresh a mené des expériences pour mesurer des choses comme la rigidité des globules rouges infectés par les parasites du paludisme.

Un globule rouge a une activité électrique, chimique et biologique qui se déroule à l'intérieur, ce qui provoque des vibrations à l'échelle nanométrique à sa surface. Pour mesurer les fréquences vibratoires des cellules, les chercheurs ont combiné la technique d'imagerie de Feld avec la microscopie en phase de diffraction, dans laquelle un faisceau laser qui traverse une cellule rejoint un faisceau de référence qui ne le fait pas, créant un motif d'interférence distinctif. Pour établir le lien entre la vibration des cellules et leur santé, les chercheurs ont utilisé la technique de Feld pour créer des images tridimensionnelles d'un parasite du paludisme à l'intérieur d'un globule rouge. Ils ont également mesuré les niveaux d'hémoglobine à l'intérieur des cellules à divers stades d'une infection paludéenne.

Cette chose n'a jamais été faite auparavant, dit Arès Rosakis , professeur d'aéronautique et de génie mécanique au California Institute of Technology. La réduction des techniques optiques au niveau [à l'échelle nanométrique] est extrêmement difficile. (Rosakis n'a pas été impliqué dans le travail, bien qu'un de ses anciens étudiants diplômés l'ait été.)

Rosakis voit deux utilisations pour les nouvelles techniques. La première consiste à améliorer les modèles informatiques des cellules, car les mesures de Feld et Suresh sont beaucoup plus précises que les mesures précédentes. L'autre est un meilleur diagnostic. Les Centers for Disease Control (CDC) des États-Unis notent que le principal test de dépistage du paludisme actuellement ne fonctionne pas pour le paludisme aigu : il ne peut reconnaître la maladie qu'après coup. À terme, une technique comme celle de Feld et Suresh pourrait fournir un moyen de détecter le paludisme au fur et à mesure qu'il se produit. Pensez à l'avenir d'un médecin ou même d'un technicien non formé ayant [la technologie] intégré à un microscope commercial et … obtenant instantanément une lecture de l'état de la maladie, dit Rosakis.

Suresh note qu'il était rare que des ingénieurs mécaniciens travaillent sur la biologie cellulaire, et plus rare encore de le faire avec des physiciens. Mais lui et Feld n'ont pas besoin de quitter le bâtiment pour collaborer, dit-il.

Les deux ont commencé à travailler ensemble il y a environ deux ans et demi, après que Feld ait invité Suresh à donner une conférence sur les travaux de son laboratoire sur les cellules du paludisme. Après la conférence de Suresh, les deux hommes ont décidé de combiner leurs forces et leurs instruments pour mesurer la vitesse à laquelle vibrent les globules rouges sains et malades.

Ils ont choisi des cellules antipaludiques en raison de l'expérience de Suresh avec elles, mais cela signifiait que le laboratoire de Feld devait être réaménagé pour répondre aux normes de biosécurité de niveau 2 du CDC. Ce projet a été dirigé par l'une des chercheuses de l'équipe de Suresh, Monica Diez-Silva, la seule microbiologiste des deux groupes.

Il faut 48 heures à un envahisseur paludéen pour parcourir son cycle de vie, se développer, se reproduire et être expulsé de la cellule. Les chercheurs ont donc dû évaluer les cellules infectées à chaque étape de ce processus de 48 heures, à des températures simulant la fièvre et le refroidissement que subit le corps humain lors d'une infection paludéenne.

Les membranes cellulaires vibrantes se déplacent de quelques nanomètres à la fois, et ces mouvements ont lieu en quelques microsecondes – des millionièmes de seconde. Pour capturer les données du faisceau laser traversant les cellules, les chercheurs ont utilisé la technique d'imagerie de Feld, qui assemble plusieurs images dans un composite. La technique est une espèce de tomographie, le principe qui sous-tend la tomodensitométrie (TDM).

Rosakis dit que l'imagerie avec des motifs d'interférence est particulièrement difficile lorsque l'on regarde les globules rouges, qui sont en forme de beignet et fluides, changeant constamment de forme dans toutes les directions.

La première série d'expériences de Suresh et Feld a duré près de huit mois, dont des semaines et des semaines pour assembler les images 3D des parasites à l'intérieur des cellules. Ensuite, ils ont décidé d'examiner les niveaux d'hémoglobine, ce qui a également pris des mois. Ils ont passé près de six mois à rédiger les résultats, qui seront publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences cette semaine.

Suresh dit que la recherche devrait s'appliquer à tout autre type de cellules vivantes. Lui et Feld veulent examiner les globules rouges atteints d'anémie falciforme, et peut-être les cellules cancéreuses, bien qu'il soit plus difficile d'étudier les cellules qui ont un noyau.

Les techniques de Suresh et de Feld ne peuvent pas encore être utilisées pour diagnostiquer des maladies, mais Suresh dit que leur travail constitue la base scientifique permettant de mesurer la maladie au niveau cellulaire.

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