Pouvons-nous identifier chaque type de cellule dans le corps ?

Combien de types de cellules existe-t-il dans le corps humain ? Les manuels disent quelques centaines. Mais le vrai nombre est sans aucun doute beaucoup plus grand.

Un dispositif microfluidique (au centre) peut réaliser des expériences sur des cellules individuelles.

Petit à petit, un nouveau catalogue plus détaillé de types de cellules émerge de laboratoires comme celui d'Aviv Regev au Broad Institute, à Cambridge, Massachusetts, qui appliquent les avancées récentes de la génomique unicellulaire pour étudier les cellules individuelles à une vitesse et échelle auparavant impensable.

La technologie appliquée au Broad utilise des systèmes fluidiques pour séparer les cellules sur des bandes transporteuses microscopiques, puis les soumet à une analyse génétique détaillée, au rythme de milliers par jour. Les scientifiques s'attendent à ce que ces technologies soient utilisées dans des applications médicales où de petites différences entre les cellules ont de grandes conséquences, notamment les criblages de médicaments à base de cellules, la recherche sur les cellules souches, le traitement du cancer et les études fondamentales sur le développement des tissus.

Regev dit qu'elle a travaillé avec les nouvelles méthodes pour classer les cellules dans les rétines de souris et les tumeurs cérébrales humaines, et qu'elle découvre des types de cellules jamais vus auparavant. Nous ne savons pas vraiment de quoi nous sommes faits, dit-elle.

D'autres laboratoires se précipitent pour produire leurs propres enquêtes et améliorer la technologie sous-jacente. Aujourd'hui, une équipe dirigée par Stephen Quake de l'Université de Stanford a publié sa propre enquête sur 466 cellules cérébrales individuelles, la qualifiant de premier pas vers un atlas cellulaire complet du cerveau humain.

De telles enquêtes ne sont devenues possibles que récemment, disent les scientifiques. Il y a quelques années, le défi consistait à obtenir des données utiles à partir de cellules individuelles, explique Sten Linnarsson, biologiste unicellulaire à l'Institut Karolinska de Stockholm, en Suède. En mars, le groupe de Linnarsson a utilisé les nouvelles techniques pour cartographier plusieurs milliers de cellules du cerveau d'une souris, identifiant 47 types, y compris certains sous-types jamais vus auparavant.

Historiquement, la meilleure façon d'étudier une seule cellule était de la regarder au microscope. Dans les hôpitaux de cancérologie, c'est ainsi que les pathologistes décident si les cellules sont cancéreuses ou non : ils les colorent avec des colorants, dont certains ont été introduits pour la première fois au début des années 1900, et tiennent compte de leur emplacement et de leur apparence. Les méthodes actuelles distinguent environ 300 types différents, explique Richard Conroy, responsable de la recherche aux National Institutes of Health.

Les cellules individuelles sont capturées et séparées dans des bulles de liquide, les préparant pour l'analyse.

La nouvelle technologie fonctionne plutôt en cataloguant les molécules d'ARN messager à l'intérieur d'une cellule. Ces messages sont le matériel génétique que le noyau envoie pour fabriquer des protéines. La méthode de Linnarsson attache un code-barres moléculaire unique à chaque molécule d'ARN dans chaque cellule. Le résultat est un profil d'expression génique, équivalant à une empreinte digitale d'une cellule qui reflète son activité moléculaire plutôt que ce à quoi elle ressemble.

Auparavant, les cellules étaient définies par un ou deux marqueurs, explique Linnarsson. Maintenant, nous pouvons dire quel est le complément complet des gènes exprimés dans ces cellules.

Bien que les chercheurs aient déterminé il y a quelques années comment séquencer avec précision l'ARN d'une seule cellule, ce n'est que plus récemment que des innovations intelligentes en chimie et en microfluidique ont conduit à une explosion de données. Une société californienne, Cellular Research, a montré cette année qu'elle pouvait trier les cellules dans des micro-puits, puis mesurer l'ARN de 3 000 cellules distinctes à la fois, au prix de quelques centimes par cellule.

Les scientifiques pensent que les nouvelles méthodes unicellulaires pourraient annuler les résultats des recherches précédentes. En effet, les études précédentes sur l'expression génique étaient basées sur des échantillons de tissus ou des échantillons de sang contenant des milliers, voire des millions de cellules. L'étude de tels mélanges mélangés signifiait que les chercheurs voyaient des moyennes, explique Eric Lander, directeur du Broad Institute.

La génomique unicellulaire est arrivée à maturité d'une manière incroyable au cours des 18 derniers mois seulement, a déclaré Lander à un auditoire des National Institutes of Health cette année. Et une fois que vous réalisez que nous sommes sur le point de créer des cellules individuelles, comment pourriez-vous supporter un smoothie aux fruits ? C'est juste fou de faire de la génomique sur les smoothies.

Lander, l'un des chefs de file du projet du génome humain, dit qu'il est peut-être temps de transformer des projets pilotes comme ceux que Regev mène en un effort plus large pour créer un atlas définitif, un catalogue répertoriant tous les types de cellules humaines par activité génique et les suivant depuis le embryon jusqu'à l'âge adulte.

Il est un peu prématuré de déclarer un projet national ou international tant qu'il n'y a pas eu plus de pilotage, mais je pense que c'est une idée qui est très dans l'air, a déclaré Lander lors d'un entretien téléphonique. Je pense [dans deux ans] nous allons être dans la position où ce serait fou de ne pas avoir cette information. Si nous avions un tableau périodique des cellules, nous serions en mesure de déterminer, pour ainsi dire, la composition atomique d'un échantillon donné.

Les profils génétiques pourraient éventuellement être combinés avec d'autres efforts pour étudier des cellules individuelles. Paul Allen, cofondateur de Microsoft, a déclaré en décembre dernier qu'il dépenserait 100 millions de dollars pour créer un nouvel institut scientifique, l'Allen Institute for Cell Science. Il étudiera les cellules souches et filmera leur comportement au microscope à mesure qu'elles se développent en divers types de cellules, dans le but ultime de créer un modèle animé massif. Rick Horwitz, qui dirige cet effort, dit qu'il servira comme une sorte de Google Earth pour explorer le cycle de vie d'une cellule.

Selon Garry Nolan, immunologiste à l'Université de Stanford, la récompense éventuelle de la collecte de toutes ces données ne sera pas simplement un catalogue de types de cellules, mais une compréhension plus approfondie de la façon dont les cellules fonctionnent ensemble. L'approche à cellule unique est une station de chemin qui doit être comprise sur le chemin de la compréhension du système plus large, dit-il. Dans 50 ans, nous mesurerons probablement chaque molécule de la cellule de façon dynamique.

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