Les forces qui alimentent les défenses immunitaires
La capacité du système immunitaire à détecter une blessure ou une infection et à y répondre débute par les leucocytes, ou globules blancs, qui patrouillent les parois vasculaires à la recherche d’une inflammation. Ce processus commence par une réduction de la vitesse des leucocytes lors de leur passage dans la circulation sanguine. Ceux-ci peuvent alors être activés, adhérer fermement à la paroi vasculaire et migrer vers les sites de lésions ou d’inflammation. L’adhésion leucocytaire à la paroi vasculaire comporte plusieurs étapes et expose les cellules à des forces mécaniques pendant un certain temps, qui va de quelques microsecondes à plusieurs minutes. La compréhension des forces impliquées dans la cascade d’adhésion des leucocytes est essentielle pour déchiffrer la physique fondamentale des mécanismes de la réponse immunitaire.
Nano-outils combinés pour mesurer la force dans les leucocytes
Pour comprendre pleinement le processus d’adhésion des leucocytes, le projet MechaDynA, financé par le CER, visait à développer une approche globale tenant compte de ces échelles de temps et de ces résolutions spatiales. L’équipe de recherche a adapté deux nano-outils de pointe, la spectroscopie de force à haute vitesse (HS-FS) et la spectroscopie de force acoustique (AFS) pour mesurer, directement sur les cellules vivantes, la mécanique de tous les composants cellulaires impliqués sur la plus large gamme d’échelles de temps. Dérivée de la microscopie à force atomique, la HS-FS utilise des cantilevers ultra-petits pour mesurer les propriétés mécaniques et les forces de liaison de molécules individuelles, telles que les protéines ou l’ADN, à des échelles de temps extrêmement courtes, de l’ordre de la microseconde. Cette approche a permis aux chercheurs d’explorer les événements rapides essentiels à l’adhésion des leucocytes. L’AFS complète les échelles de temps accessibles par HS-FS. En utilisant des ondes acoustiques pour piéger et appliquer des forces à des centaines de particules ou de cellules en suspension en parallèle, elle permet d’effectuer des mesures de longue durée (plusieurs heures).
Expérimentation sur des cellules vivantes
L’une des principales réalisations du projet a été l’adaptation de la HS-FS et de l’AFS pour travailler directement sur des cellules vivantes, ce qui a permis une exploration détaillée de la mécanique et de l’adhésion des leucocytes. «En combinant ces outils avec une microscopie optique avancée, nous avons pu mesurer la force sur des cellules vivantes avec un accès à une gamme d’échelles de temps sans précédent», souligne Felix Rico, chercheur principal de MechaDynA. Une partie du projet a révélé que l’adhésion est liée à la rigidité mécanique des cellules leucocytaires. Il est intéressant de noter que le raidissement semble persister même après l’élimination de l’adhérence, ce qui met en évidence un aspect jusqu’alors inconnu de la mécanique cellulaire. Dans l’ensemble, les résultats de MechaDynA améliorent notre compréhension des forces mécaniques qui influencent les processus biologiques.
Applications futures
Le succès de MechaDynA dans l’adaptation et l’application de la HS-FS et de l’AFS à l’étude des leucocytes marque un tournant important dans la recherche biophysique. Les prochaines étapes du projet consisteront à étendre ces méthodes à d’autres systèmes cellulaires, tels que les cellules tumorales circulantes, qui ressemblent à des leucocytes se déplaçant dans le système sanguin avant de former des métastases dans des organes distants. L’exploration de la mécanique de ces cellules pourrait conduire à des percées dans le diagnostic et le traitement du cancer. En outre, les nano-outils de MechaDynA sont prometteurs pour l’étude d’autres systèmes biologiques, tels que les interactions entre virus et cellules, ce qui pourrait faire progresser notre compréhension des infections virales et contribuer à la mise au point de thérapies antivirales. La possibilité de breveter ces nano-outils souligne leur caractère innovant et leur applicabilité dans de multiples disciplines, et ouvre de nouvelles voies pour relever des défis biomédicaux urgents. En outre, le progiciel libre PyFMLab développé dans le cadre du projet offre une solution standardisée pour la caractérisation viscoélastique des échantillons biologiques.
Mots‑clés
MechaDynA, forces, spectroscopie de force à haute vitesse (HS-FS), spectroscopie de force acoustique (AFS), adhésion leucocytaire, propriétés mécaniques, biophysique