Une technologie de tri cellulaire permet d’obtenir des informations révolutionnaires sur les processus biologiques

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Depuis son invention il y a plus de 50 ans, le tri cellulaire par cytométrie en flux est l’un des outils les plus puissants de l’arsenal du biologiste. Il permet aux chercheurs d’isoler les cellules d’intérêt à partir de mélanges complexes, un processus essentiel pour comprendre le fonctionnement des cellules. Cette méthode a maintenant reçu une mise à niveau massive, grâce à une technologie décrite dans une étude menée par des chercheurs de l’EMBL Heidelberg et BD Biosciences, maintenant publiée en couverture dans Science.

Une nouvelle technologie permet aux chercheurs de trier rapidement les cellules en fonction de caractéristiques spatiales ou morphologiques qui seraient invisibles aux techniques traditionnelles de cytométrie en flux. Crédit : © Tobias Wüstefeld/Illustratoren.de

Le développement de nouvelles technologies est au cœur des sciences de la vie. L’élargissement de cet ensemble d’outils permet aux chercheurs d’effectuer des expériences plus informatives et accélère le développement de traitements pour les maladies. Avec la cytométrie en flux traditionnelle, les chercheurs ne pouvaient jusqu’à présent isoler les cellules que sur la base de propriétés simples, telles que les niveaux d’expression des protéines. Avec l’introduction de la nouvelle plate-forme de tri cellulaire (ICS) activée par l’image à haut débit, développée par BD Biosciences et testée sur le terrain par EMBL Heidelberg, les chercheurs peuvent désormais capturer et analyser des instantanés haute résolution à tir rapide de cellules, leur permettant de isoler les cellules en fonction des caractéristiques des données d’image, comme l’endroit où une protéine ou un biomarqueur est localisé dans une cellule. De telles caractéristiques fournissent des informations riches sur le fonctionnement interne d’une cellule et étaient auparavant invisibles pour le cytomètre en flux.

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Les chercheurs des groupes Steinmetz et Cuylen de l’EMBL ainsi que le Flow Cytometry Core Facility ont utilisé cette nouvelle méthode pour développer de nouvelles stratégies expérimentales et les appliquer à des applications révolutionnaires. De la séparation des cellules dans les différentes phases de la division cellulaire à la réalisation de criblages rapides à l’échelle du génome, cette étude élargit considérablement l’éventail des questions que les chercheurs en sciences de la vie peuvent poser.

Tri à l’aide d’«instantanés» cellulaires

Chacune des quelque 37 billions de cellules de notre corps est unique: elles se présentent sous différentes formes et tailles et expriment des gènes à différents niveaux et localisations pour remplir la diversité des fonctions cellulaires. Les modifications de ces propriétés sont souvent associées à des maladies. L’ICS offre aux chercheurs un nouveau moyen d’étudier ces différences en isolant des cellules aux propriétés spécifiques qui ne pouvaient jusqu’à présent être analysées que par imagerie. “Nous aspirons depuis des années à disposer d’un système qui nous permettrait d’imager chaque cellule avant de la trier en fonction des mesures de ces images”, a déclaré Malte Paulsen, ancien responsable de la plate-forme centrale de cytométrie en flux de l’EMBL et actuellement responsable des plateformes et du laboratoire, Institut DanStem, Université de Copenhague, Danemark. “C’est exactement ce qu’ICS réalise à un débit très élevé”. L’ensemble du processus d’acquisition de données, de reconstruction d’image, d’analyse d’image et de tri se produit en quelques microsecondes, permettant à ICS de fonctionner à des vitesses allant jusqu’à 15 000 cellules par seconde.

L’EMBL a été la première institution au monde à tester cette nouvelle technologie dans plusieurs applications innovantes. Dans une de ces applications, les chercheurs ont utilisé l’ICS pour isoler des cellules de différentes phases de la mitose, le processus universel par lequel les cellules se divisent et qui, lorsqu’il est dérégulé, peut provoquer des cancers ou des troubles du développement. En quelques minutes de temps d’exécution ICS, les auteurs ont pu enrichir des milliers de cellules de chaque étape de la mitose avec une très grande pureté. “J’ai été vraiment étonné quand j’ai vu les premières sortes des différentes étapes mitotiques”, a déclaré Sara Cuylen-Haering, l’un des auteurs correspondants de l’étude. “Jusqu’à présent, cela était impossible, et cela permettra des études passionnantes en aval des étapes isolées.”

Regarder à l’intérieur des génomes

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Un autre avantage de cette nouvelle technologie réside dans le domaine de la génomique fonctionnelle. Ici, les cribles génétiques permettent aux chercheurs de déterminer lequel des 18 000 gènes de notre génome contribue à un phénotype cellulaire spécifique. La combinaison de cribles génétiques avec des lectures basées sur l’image est extrêmement puissante car elle peut fournir de riches informations sur les processus à l’échelle subcellulaire. Bien que de tels écrans aient jusqu’à présent pris du temps et posé des défis technologiques, ICS élargit considérablement leur champ d’application, permettant aux chercheurs de “regarder sous le capot” de chaque cellule.

Pour le démontrer, l’équipe de l’EMBL a utilisé l’ICS pour étudier la voie NFkB, qui est au cœur de l’immunité cellulaire. En perturbant la fonction de tous les gènes codant pour les protéines humaines dans les cellules cultivées, puis en triant ces cellules à l’aide du système ICS, les auteurs ont identifié plusieurs nouveaux régulateurs de la voie. “Même pour des voies fortement étudiées comme celle de NFkB, nous avons pu découvrir de nouveaux éléments en plus de récapituler presque tous les gènes connus”, a déclaré Daniel Schraivogel, auteur principal de l’étude. « L’identification de nouvelles fonctions génétiques peut changer la donne pour la recherche biomédicale ; de telles révélations peuvent expliquer les mécanismes de la maladie et conduire à de nouvelles cibles médicamenteuses.

“Le potentiel de réaliser des cribles génomiques avec une résolution microscopique est extrêmement excitant car il nous permet d’identifier des fonctions pour de nombreux autres éléments du génome”, a déclaré Lars Steinmetz, auteur correspondant de l’étude. “La vitesse de cette technologie accélère également le potentiel de découverte scientifique – l’ensemble du processus d’un criblage à l’échelle du génome peut désormais être réduit à des heures plutôt qu’à des jours ou des semaines”.

Favoriser les collaborations industrie-université

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Cette étude est emblématique de l’une des missions fondamentales de l’EMBL – s’engager activement dans le transfert de technologie et les relations avec l’industrie. “Ce projet n’aurait pas été possible dans un cadre universitaire ou industriel seul”, a déclaré Steinmetz. “Dans cet article, nous avons réuni ces deux branches de la science et démontré une technologie qui promet de faire progresser notre capacité à collecter des informations fonctionnelles pour chaque partie du génome”. Outre la recherche en génomique, la biologie cellulaire et l’immunologie, la nouvelle technologie aura des applications dans des domaines tels que la biologie des infections et la biologie planétaire, deux thèmes du nouveau programme de l’EMBL, “Molecules to Ecosystems”.

“Le développement d’ICS, qui utilise la nouvelle technologie d’imagerie CellViewTM de BD, représente l’aboutissement de plus d’une décennie de travail par une équipe véritablement multidisciplinaire de plus de 100 scientifiques et ingénieurs”, a déclaré Eric Diebold, vice-président mondial de la R&D pour BD Biosciences. et un auteur correspondant de l’article. “Cette publication conjointe entre l’EMBL et BD Biosciences est un exemple fantastique de la façon dont le monde universitaire et l’industrie peuvent s’associer pour accélérer le progrès scientifique et technologique au profit de la recherche et de la santé humaine”.

Source

Schraivogel D., et al. High speed fluorescence image-enabled cell sorting”. Science, 21 January 2022, Vol. 375, No. 6578

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