Technique avancée de marquage cellulaire par microscopie pour l'imagerie corporelle complète

Les processus et structures à l'intérieur 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 surveiller l'efficacité des thérapies. Pour pouvoir représenter des processus spécifiques dans le corps, les chercheurs développent de nouvelles techniques pour marquer les cellules ou les molécules afin qu'elles émettent des signaux détectables à l'extérieur du corps et convertibles 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 l'imagerie corporelle complète par tomographie par émission de positrons (TEP).

Cette méthode marque les cellules en deux étapes qui fonctionnent pour des types de cellules complètement différents comme les tumeurs et les cellules inflammatoires. D'abord, les cellules sont génétiquement modifiées pour produire à leur surface une enzyme dite SNAP-tag 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 structuré chimiquement pour être reconnu et scindé par l'enzyme, permettant le transfert de l'émetteur de signal 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 fermement couplé à elle. Selon les chercheurs, l'enzyme SNAP-tag s'étiquette elle-même par son activité biologique — cela se produit très rapidement et sans perturber les processus naturels dans l'organisme.

En microscopie, des colorants fluorescents sont utilisés pour marquer les cellules, mais ils ne conviennentmostly pas à l'imagerie corporelle complète car leurs signaux sont diffusés par des couches de tissus plus épaisses, avec pour résultat 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 des souris en injectant ce substrat dans l'organisme via la circulation sanguine. Ils ont ensuite pu visualiser les tumeurs en utilisant l'imagerie TEP.

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

Le niveau de détail élevé fourni par la microscopie permet d'étudier comment les cellules individuelles communiquent entre elles. La vue d'ensemble fournie par l'imagerie corporelle complète permet aux scientifiques d'évaluer comment ces cellules fonctionnent dans le cadre de systèmes d'organes entiers. Le temps révélera quel rôle jouent les types cellulaires individuels dans l'inflammation, par exemple, alors qu'elle commence, se poursuit et se résout. Les chercheurs affirment qu'en combinant toutes ces informations, on peut comprendre comment tout est connecté dans le corps.

Les prochaines étapes cruciales seront de tester combien de cellules sont nécessaires pour obtenir un signal suffisamment fort et si la méthode peut également être utilisée pour visualiser des cellules qui se déplacent dans l'organisme — en particulier, les cellules du système immunitaire. Si l'approche continue de s'avérer concluante, la technique pourrait devenir importante pour la recherche future sur les immunothérapies dans lesquelles les propres cellules immunitaires du corps sont génétiquement modifiées en laboratoire pour combattre une maladie spécifique. De telles thérapies sont déjà utilisées pour le traitement du cancer et ont le potentiel d'aider à traiter les maladies inflammatoires également. L'imagerie pourrait aider à développer et améliorer de tels traitements.

Lorsque les scientifiques ont présenté leurs résultats pour la première fois lors d'un symposium scientifique, ils ont eu une surprise — des collègues de Tübingen ont présenté une étude similaire au même moment. Indépendamment l'un 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 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, donc les recherches se complètent 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 idéalement adapté pour l'imagerie TEP. L'objectif était de concevoir la synthèse en quelques étapes rapides afin d'obtenir un signal aussi fort que possible. Comme le fluor-18 a une demi-vie courte, sa radioactivité est réduite de moitié après chaque 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 avec le 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 click, 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 dans les 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 ont pu voir très clairement que la radioactivité n'était absorbée que par les cellules produisant l'enzyme SNAP-tag. Finalement, 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 dans le corps très rapidement. De plus, ils ont identifié les voies par lesquelles il est excrété. Ils ont ensuite comparé comment les cellules tumorales avec et sans l'enzyme SNAP-tag réagissaient au substrat dans des organismes vivants. Pour ce faire, 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.