Une nouvelle méthode permet de suivre l'activité génétique des cellules vivantes sans les détruire

Des chercheurs du Broad Institute et du MIT ont développé une méthode pour analyser de manière répétée l'activité génétique des cellules vivantes à l'aide de particules similaires à des virus qui exportent de l'ARN, sans détruire les échantillons.

Cette méthode permet de prélever des échantillons successifs de l'ARN d'une même population cellulaire et d'observer comment il évolue dans le temps. La technique a fonctionné sur des cellules humaines, cancéreuses, souches, neuronales, primaires et des modèles tridimensionnels.

Des chercheurs du Broad Institute du MIT et de Harvard et de l'Institut Technologique du Massachusetts ont développé une méthode qui permet de suivre l'activité génétique des cellules vivantes sur des périodes successives, sans avoir à les détruire pour accéder à leur ARN. Cette avancée vise à résoudre une limitation centrale de la transcriptomique conventionnelle : chaque analyse offre généralement une photographie isolée, car la cellule doit être brisée lors de la préparation de l'échantillon.

La technique, décrite dans la revue Cell, transforme les cellules elles-mêmes en une sorte de système d'auto-rapport moléculaire. Au lieu d'extraire physiquement le matériel génétique, les chercheurs les conçoivent pour qu'elles emballent une partie de leur ARN dans des particules similaires à des virus et le libèrent dans le milieu de culture, où il peut être collecté et séquencé.

Cette possibilité est particulièrement pertinente pour étudier des processus qui changent avec le temps, comme la maturation cellulaire, la réponse à une perturbation ou l'effet d'un médicament. Un échantillon du milieu peut être prélevé à plusieurs reprises, permettant aux scientifiques de comparer différents moments d'une même population et de reconstruire comment évolue leur activité génétique.

Le travail a été dirigé par Mohamad Najia et Jacob Borrajo, avec la co-auteure principale Anna Le, chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Paul Blainey. Blainey, membre principal du Broad et professeur d'ingénierie biologique au MIT, a participé au développement du projet, qui visait à créer des outils utiles pour d'autres groupes de recherche. L'équipe a considéré que la matérialisation de cette idée représentait le résultat d'un projet à haut risque lancé il y a plus d'une décennie.

Le fondement du système s'inspire des rétrovirus, qui ont évolué pour envelopper leurs génomes d'ARN dans des enveloppes protéiques afin de les déplacer entre les cellules. L'équipe a conçu des cellules de mammifères pour exprimer une protéine structurale rétrovirale capable de recruter de l'ARN cellulaire, de former une enveloppe autour de ce matériel et de se détacher de la membrane vers le liquide entourant la cellule.

Une fois les particules libérées, les scientifiques n'ont qu'à prélever un échantillon du milieu de culture, isoler l'ARN et le séquencer. Le résultat offre une représentation du transcriptome de la population cellulaire sans recourir à des procédures qui la détruisent ou qui altèrent de manière significative son environnement immédiat.

La proposition vise à surmonter les limitations des alternatives basées sur la robotique, les biopsies mécaniques ou la manipulation individuelle des cellules, qui peuvent être difficiles à mettre à l'échelle dans des laboratoires communs. Mohamad Najia a expliqué qu'une solution codée moléculairement pourrait faciliter l'étude de questions dynamiques et temporelles dans les laboratoires de sciences de la vie et de recherche biomédicale.

Le système n'équivaut pas encore à une lecture parfaite de chaque cellule individuelle, car les signaux obtenus correspondent principalement à la population analysée. Cependant, l'équipe du Broad travaille à adapter l'approche à l'étude de cellules individuelles, une évolution qui pourrait augmenter la résolution de la méthode et aider à distinguer des sous-populations avec des comportements différents.

Pour évaluer l'étendue de la technique, les chercheurs l'ont testée sur des cellules humaines immortalisées, des lignées cellulaires cancéreuses, des cellules souches et des cellules neuronales dérivées de celles-ci. Ils ont également utilisé des cellules primaires obtenues de donneurs humains, ce qui a permis de vérifier que le système n'était pas limité à des modèles cellulaires de laboratoire avec des caractéristiques très spécifiques.

L'équipe a également cultivé deux types de cellules humaines en même temps et a utilisé des étiquettes sur des particules similaires à des virus pour distinguer les signaux de chaque population lors de l'analyse. Cette capacité pourrait aider à étudier les interactions entre les cellules, tant que les chercheurs peuvent identifier clairement l'origine des ARN qui arrivent dans le milieu.

Une autre démonstration a été réalisée sur des sphéroïdes de cellules endothéliales humaines, des structures tridimensionnelles dans lesquelles l'architecture spatiale peut être importante pour interpréter l'activité génétique. Après une stimulation biochimique, la méthode a permis de capturer des changements transcriptionnels à court terme sans démonter le modèle pour extraire ses cellules.

Les chercheurs ont également collaboré avec Linda Griffith, professeure d'ingénierie biologique et mécanique au MIT, pour tester le système sur des dispositifs d'organe-sur-puce. Dans ces modèles, l'auto-rapport cellulaire a permis de surveiller dans le temps l'expression de gènes liés à la formation de réseaux vasculaires, dont les changements dépendaient de l'origine des fibroblastes de soutien, qu'ils proviennent de l'utérus ou des poumons.

Les organes-sur-puce cherchent à imiter des aspects de la physiologie humaine et peuvent contribuer à réduire la nécessité de tests précliniques ou d'expériences avec des modèles animaux. Cependant, leur complexité rend difficile l'extraction des cellules sans perturber la structure du dispositif, de sorte qu'un outil qui recueille des signaux depuis le milieu pourrait fournir des informations sans démonter le système.

Le même principe pourrait servir à observer comment une population cellulaire réagit aux médicaments, au stress biologique ou aux signaux de maturation. Au lieu de comparer des échantillons détruits provenant de groupes distincts, les chercheurs pourraient suivre des changements successifs dans une population et les relier au moment exact d'une intervention.

La technique offre également une voie pour étudier des maladies où l'évolution temporelle est déterminante, bien que le communiqué ne présente pas encore d'application clinique ni n'affirme que la méthode soit prête à être utilisée chez les patients. Ses résultats correspondent à des démonstrations expérimentales dans des systèmes cellulaires et des modèles de laboratoire, il sera donc nécessaire d'étudier sa précision, sa stabilité et son comportement dans des contextes plus complexes.

Le laboratoire de Blainey continue de rechercher de nouvelles applications biologiques et travaille à rendre viable l'étude des cellules individuelles. Pour l'instant, l'avancée propose une manière différente de comprendre la transcriptomique : au lieu de forcer la cellule à révéler son contenu par sa destruction, elle permet d'envoyer périodiquement un signal moléculaire sur ce qui se passe à l'intérieur.