Echographie opto-acoustique de cellules individuelles ex vivo – EchoCell

Les propriétés mécaniques des cellules ou de leurs composants, telles que la compressibilité ou l’adhésion, sont impliquées dans plusieurs processus biologiques fondamentaux. La compréhension des mécanismes en jeu a fait l’objet d’un nombre de travaux de recherche croissant ces dernières années. Cependant, les études approfondies de la différenciation des cellules souches, notamment, nécessitent le développement de nouvelles approches expérimentales pour tester les propriétés physiques des cellules vivantes à l'échelle nanométrique. Dans ce projet, nous étudierons les propriétés mécaniques de cellules souches mésenchymateuses (MSC) en présence d’agents actifs promoteurs de leur différenciation vers des cellules ostéoblastes.

Plusieurs techniques expérimentales ont été développées ces dernières années pour explorer la mécanique cellulaire. Cependant, les progrès sont entravés par deux limitations fondamentales: les cellules vivantes réagissent à des moyens de mesure actifs en modifiant leur comportement mécanique ou biologique; La résolution de l'interaction biomécanique entre les organites cellulaires nécessite que leurs propriétés mécaniques soient évaluées indépendamment. Le microscope opto-acoustique que nous avons développé récemment est adapté pour contourner ces difficultés. En effet, cette technique non conventionnelle opère à distance, ne nécessite pas de marqueur, et a démontré son potentiel pour l'évaluation quantitative des propriétés mécaniques avec une résolution du micron. Nous avons ainsi réalisé la microscopie opto-acoustique de cellules fixées avec une résolution comparable aux techniques d’imagerie optique conventionnelles, mais ici le contraste provient des propriétés mécaniques locales telles que la compressibilité et l’adhésion. Cependant, plusieurs verrous doivent encore être levés pour que la technique permette l’imagerie systématique de cellules vivantes, non fixées.

Les principales difficultés proviennent de l'immersion dans un sérum liquide. Comme l'impédance cellulaire globale est proche de celle du sérum, une perte de contraste est attendue au détriment, par exemple, de la cartographie du contour et de l'épaisseur de la cellule. Dans ce projet nous explorerons plusieurs voies afin d’augmenter l'efficacité de la génération d'ondes acoustiques, améliorer la sensibilité de leur détection et adapter le contraste d'impédance. Des concepts relevant de l’acoustique-physique seront introduits afin de revoir la conception du transducteur opto-acoustique et d'améliorer la rapidité et la polyvalence du microscope.

Nous effectuerons des mesures échographiques sur des cellules MSC ensemencées sur la surface du transducteur. La différentiation sera induite par des principes actifs et contrôlée par l'expression des facteurs ostéoblastiques. A des stades de différenciation pré-définis, nous cartographierons la raideur du noyau et ferons une analyse statistique des résultats obtenus au sein de chaque cellule afin d’identifier une éventuelle réorganisation de la chromatine. Des images échographiques opto-acoustiques seront également acquises pour identifier des évolutions de l’adhésion cellulaire et pour rechercher d’éventuelles corrélations avec l'organisation du noyau.

La réussite de ce projet ouvrira de fabuleuses perspectives pour l’imagerie de cellules vivantes. La compressibilité, la viscosité, les forces d’adhésion, sont en effet des grandeurs mécaniques dont il a été établi qu’elles ont un rôle prépondérant dans de nombreux processus cellulaires tels que la mécano-transduction, la morphogénèse, la motilité, ou la progression de maladies dégénératives. Il a notamment été montré que les cellules cancéreuses ont une plus grande compressibilité que les cellules saines. Le dispositif d’échographie cellulaire opto-acoustique pourrait donc être mis en oeuvre par la suite pour démontrer son aptitude à fournir un outil d’aide à l’imagerie et au diagnostique pour la biologie cellulaire et la médecine.