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Dans le corps humain, les cellules qui composent notre peau, nos os, nos vaisseaux sanguins et nos organes sont étroitement liées entre elles - 100 billions d'entre elles dans chacun de nous. Certaines cellules doivent être capables de sortir de cet environnement encombré - en particulier les cellules immunitaires, qui patrouillent dans les tissus pour traquer les agents pathogènes et les cellules défectueuses. Elles possèdent certaines capacités qui les aident dans leur mission. On a récemment découvert que les cellules immunitaires peuvent reconnaître et éviter les goulets d'étranglement à proximité. Cependant, les cellules de notre corps ne mesurent pas seulement leur environnement, mais aussi elles-mêmes : elles reconnaissent immédiatement lorsqu'elles sont trop comprimées dans un goulot d'étranglement et activent un mécanisme de fuite.
Le groupe de Daniel Müller du département de biosystèmes et d'ingénierie des systèmes de l'ETH Zurich à Bâle s'est associé à une équipe internationale de scientifiques - notamment de l'Université Paris Sciences et Lettres et de l'Institut Ludwig Boltzmann pour les maladies rares et non diagnostiquées de Vienne - pour examiner ce mécanisme de plus près et leurs conclusions ont été publiées dans la revue Science. À l'avenir, ces découvertes pourraient contribuer à améliorer l'immunothérapie pour les cancers.
Sortir d'une situation difficile
Des observations cruciales ont été faites à l'aide d'un microscope à force atomique spécial à l'ETH Zurich. Cet instrument était équipé d'un microlevier en verre mis au point par le biophysicien Cédric Cattin, qui était à l'époque postdoc dans le groupe de Daniel Müller. Grâce à cet appareil de mesure sensible, les chercheuses et chercheurs ont pu comprimer progressivement et très précisément des cellules individuelles et observer quand et comment les cellules réagissaient à une telle déformation. L'appareil enregistrait non seulement la force que le microlevier exerçait sur les cellules, mais aussi si les cellules repoussaient ou non.
Il s'avère que les cellules peuvent tolérer une force importante sans résistance. «Toutes les cellules examinées se sont laissées comprimer de leur forme ronde normale d'un diamètre d'environ 25 micromètres, à une forme plus plate de 10 micromètres de diamètre», explique Daniel Müller. Mais le fait de comprimer davantage les cellules a provoqué une réaction : au plus tard lorsqu'elles ont été aplaties à 5 micromètres, les cellules ont reculé tout en se mobilisant pour s'échapper de l'espace confiné.
Le noyau comme jauge
Lors d'examens plus poussés, l'équipe a découvert que le noyau d'une cellule est responsable de cette réaction de fuite - ou plus précisément la membrane nucléaire, qui présente généralement des rides semblables à la peau de nos articulations. Dès qu'une cellule est suffisamment comprimée pour que le noyau se déforme, sa membrane se déploie et s'étire. «Cet étirement de la membrane signale le début de la réponse de fuite», explique Daniel Müller. La membrane étirée libère des ions de calcium qui activent une enzyme spécifique, qui à son tour déclenche une réaction qui active le système d'actomyosine de la cellule. Celui-ci est responsable des mouvements de la cellule et déclenche des contractions dans la structure cellulaire, ce qui permet à la cellule de générer une contre-pression et de s'échapper.
«En d'autres termes, le noyau agit comme une jauge qui mesure quand la cellule devient trop confinée», explique Daniel Müller. Ce mécanisme devient particulièrement visible sous un microscope à force atomique, à condition que les deux protéines actine et myosine soient exposées à des colorants fluorescents. Dès que la membrane nucléaire est étirée, des bulles entières de ces deux protéines se développent dans la cellule.
Améliorer l'immunothérapie
Les chercheuses et chercheurs ont ensuite confirmé les résultats de ces expériences avec le microlevier par des tests supplémentaires. Ils et elles ont notamment envoyé des cellules à travers des goulots d'étranglement dans de minuscules capillaires de verre et ont observé comment les cellules se déplacent dans des cultures cellulaires de densité variable. Là aussi, les cellules ont échappé à des goulots d'étranglement mesurant entre 5 et 10 micromètres en activant leur système d'actomyosine. Les chercheuses et chercheurs ont également observé ce comportement dans chaque type de cellule qu'ils et elles ont testé, y compris les cellules tumorales et les cellules immunitaires de souris. «Nous en déduisons que la plupart des types de cellules ont cette capacité", explique Daniel Müller.
Ces découvertes ont des implications pour toute une série d'applications, comme la recherche sur les tissus artificiels. Pour donner à ces tissus la forme souhaitée pour produire, par exemple, une peau ou des organes artificiels, des cellules humaines sont cultivées sur une matrice synthétique. Les nouvelles observations sur la façon dont les cellules se déplacent devraient permettre d'améliorer la conception de ces matrices. Elles pourraient également s'avérer utiles pour faire progresser l'immunothérapie, qui constitue depuis de nombreuses années le grand espoir pour vaincre le cancer. Le traitement consiste à encourager les propres cellules immunitaires de l'organisme à attaquer les cellules tumorales de manière plus ciblée. Mais les cellules immunitaires ont parfois du mal à atteindre les cellules cancéreuses, car les tumeurs se développent plus intensément que les tissus sains. Selon Daniel Müller, pour améliorer la situation, les chercheuses et chercheurs pourraient maintenant exploiter la découverte du mécanisme d'échappement.