Méthode de marquage cellulaire par microscopie adaptée pour une utilisation en imagerie du corps entier

Les processus et les structures du corps qui sont normalement cachés à l'œil peuvent être rendus visibles grâce à l'imagerie médicale. Les scientifiques utilisent l'imagerie pour étudier les fonctions complexes des cellules et des organes et rechercher des moyens de mieux détecter et traiter les maladies. Dans la pratique médicale quotidienne, les images du corps aident les médecins à diagnostiquer les maladies et à vérifier si les thérapies fonctionnent. Pour pouvoir décrire des processus spécifiques dans le corps, les chercheurs développent de nouvelles techniques de marquage des cellules ou des molécules afin qu'elles émettent des signaux qui peuvent être détectés à l'extérieur du corps et convertis en images significatives. Une équipe de recherche de l'Université de Münster a maintenant adapté une stratégie de marquage cellulaire actuellement utilisée en microscopie - la technologie dite SNAP-tag - pour une utilisation dans l'imagerie du corps entier avec la tomographie par émission de positrons (TEP).

Cette méthode marque les cellules en deux étapes qui fonctionnent pour des types de cellules complètement différents tels que les tumeurs et les cellules inflammatoires. Premièrement, les cellules sont génétiquement modifiées pour produire à leur surface, une enzyme dite SNAP-tag qui est unique aux cellules ciblées. L'enzyme est ensuite mise en contact avec un substrat SNAP-tag approprié. Le substrat est marqué avec un émetteur de signal et chimiquement structuré de sorte qu'il soit reconnu et divisé par l'enzyme permettant à l'émetteur de signal d'être transféré à l'enzyme. Dans le processus, l'enzyme est modifiée de sorte qu'elle n'est plus active et, par conséquent, l'émetteur de signal reste étroitement couplé à celle-ci. Selon les chercheurs, l'enzyme SNAP-tag se marque par son activité biologique — cela se produit très rapidement et sans perturber les processus naturels de l'organisme.

En microscopie, les colorants fluorescents sont utilisés pour étiqueter les cellules, mais ils ne conviennent généralement pas à l'imagerie du corps entier car leurs signaux sont diffusés par des couches de tissus plus épaisses, de sorte qu'ils ne peuvent plus être mesurés. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont synthétisé un nouveau substrat SNAP-tag en utilisant l'émetteur de signal radioactif fluor-18. L'équipe a réussi à marquer des cellules tumorales chez la souris en injectant ce substrat dans l'organisme via la circulation sanguine. Ils ont ensuite pu visualiser les tumeurs à l'aide de l'imagerie TEP.

Cette technologie ouvre la perspective de visualiser des cellules génétiquement codées dans le corps avec différentes modalités d'imagerie et à différents stades temporels - les chercheurs appellent cela l'imagerie multi-échelle. Bien que les signaux radioactifs du fluor-18 ne restent stables que pendant une courte période, la deuxième étape de marquage peut être répétée, de sorte que les mêmes cellules peuvent être visualisées encore et encore au fil des jours et des semaines.

Le haut niveau de détail fourni par la microscopie permet d'étudier comment les cellules individuelles communiquent entre elles. La vue d'ensemble fournie par l'imagerie du corps entier permet aux scientifiques d'évaluer le fonctionnement de ces cellules dans le cadre de systèmes d'organes entiers. Le temps peut révéler le rôle que jouent les types de cellules individuelles dans l'inflammation, par exemple, au début, à la poursuite et à la résolution. Les chercheurs disent qu'en combinant toutes ces informations, on peut comprendre comment tout est connecté dans le corps.

Les prochaines étapes cruciales consisteront à tester le nombre de cellules nécessaires pour obtenir un signal suffisamment fort et si la méthode peut également être utilisée pour visualiser les cellules qui se déplacent dans l'organisme, en particulier les cellules du système immunitaire. Si l'approche continue de s'avérer fructueuse, la technique pourrait devenir importante pour les recherches futures sur les immunothérapies dans lesquelles les propres cellules immunitaires du corps sont génétiquement modifiées en laboratoire afin qu'elles puissent combattre une maladie spécifique. De telles thérapies sont déjà utilisées pour le traitement du cancer et pourraient également aider à traiter les maladies inflammatoires. L'imagerie pourrait aider à développer et à améliorer ces traitements.

Lorsque les scientifiques ont présenté leurs résultats pour la première fois lors d'un symposium scientifique, ils ont été surpris - des collègues de Tübingen y ont présenté une étude similaire au même moment. Indépendamment l'une de l'autre, les deux équipes de recherche avaient la même idée fondamentale, un substrat SNAP-tag marqué au fluor-18. Chimiquement parlant, ils ont mis en œuvre l'idée différemment, mais ils ont testé les substrats résultants en utilisant le même système de modèle biologique et sont arrivés à des résultats similaires. L'équipe de Tübingen développe de nouvelles méthodes de marquage pour étudier les cellules immunitaires dans le cancer, tandis que l'équipe de Münster se concentre sur les maladies inflammatoires. Les recherches se complètent donc très bien.

Comme tous les substrats SNAP-tag, la molécule nouvellement développée est basée sur la benzylguanine, à laquelle les scientifiques ont attaché l'isotope radioactif fluor-18, qui est à son tour parfaitement adapté à l'imagerie TEP. Le but était de concevoir la synthèse en quelques étapes rapides afin d'obtenir un signal aussi fort que possible. Parce que le fluor-18 a une courte demi-vie, sa radioactivité est réduite de moitié toutes les 110 minutes. Initialement, les scientifiques ont découvert que le fluor-18 ne se fixait pas à la position souhaitée sur la molécule. La benzylguanine était apparemment trop sensible pour être marquée directement au fluor-18. Ainsi, les chercheurs ont d'abord marqué une petite molécule insensible aux réactions chimiques nécessaires - le fluoroéthylazide - puis l'ont attachée à la benzylguanine en utilisant une réaction de clic, qui est très rapide et sélective.

Les scientifiques ont d'abord vérifié si le substrat synthétisé restait stable au contact du sang dans le tube à essai, puis ont examiné comment les cellules interagissaient avec le substrat lors des premiers tests pratiques en cultures cellulaires. Ce faisant, ils ont comparé des cellules tumorales humaines dans lesquelles ils avaient génétiquement incorporé l'enzyme SNAP-tag avec celles qui ne produisaient pas l'enzyme. Ils pouvaient voir très clairement que la radioactivité n'était absorbée que par les cellules qui produisaient l'enzyme SNAP-tag. Enfin, l'équipe a mené des études ciblées sur des souris individuelles car le comportement d'une molécule dans l'environnement biologique complexe d'un organisme vivant ne peut pas être entièrement simulé en culture cellulaire ou avec des organes produits artificiellement. Les scientifiques ont pu montrer qu'une fois le substrat injecté dans la circulation sanguine, il est distribué très rapidement dans l'organisme. De plus, ils ont identifié les voies par lesquelles il est excrété. Ils ont ensuite comparé la façon dont les cellules tumorales avec et sans l'enzyme SNAP-tag réagissaient au substrat dans les organismes vivants. À cette fin, les cellules tumorales ont été injectées sous la peau de souris et retirées à nouveau après l'examen afin de confirmer les résultats par autoradiographie.