Une nouvelle technique permet d'élargir les tissus afin de voir des centaines de biomolécules à l'intérieur des cellules
Pour les biologistes, voir c'est croire. Mais parfois, les biologistes ont du mal à voir.
Cartographie TEMI de la distribution des lipides dans les différentes couches du cervelet. Cette image montre les espèces lipidiques spécifiquement enrichies dans trois couches distinctes du cervelet : la couche moléculaire, la couche de substance blanche et la couche de cellules granulaires.
Zhang and Ding et al.
Un défi particulièrement difficile à relever consiste à voir simultanément toutes les molécules d'un échantillon de tissu intact, jusqu'au niveau des cellules individuelles. La détection de l'emplacement de centaines ou de milliers de biomolécules - des lipides aux métabolites en passant par les protéines - dans leur environnement d'origine permet aux chercheurs de mieux comprendre leurs fonctions et leurs interactions. Malheureusement, les scientifiques ne disposent pas d'outils performants pour accomplir cette tâche.
Les méthodes d'imagerie, y compris la plupart des types de microscopie, permettent de voir les molécules à l'intérieur des cellules. Mais elles ne peuvent suivre qu'une poignée de molécules à la fois et ne peuvent pas détecter tous les types de biomolécules, y compris certains lipides. D'autres méthodes, comme la spectrométrie de masse classique, peuvent détecter des centaines de molécules mais ne fonctionnent pas sur des échantillons intacts, de sorte que les chercheurs ne peuvent pas voir comment les biomolécules sont orientées.
Une technique prometteuse, l'imagerie par spectrométrie de masse, permet de surmonter certaines de ces difficultés. Elle permet aux chercheurs de voir des centaines de molécules en même temps dans des tissus intacts. Cependant, sa résolution n'est pas assez élevée pour permettre la détection au niveau de la cellule unique.
C'est à ce problème qu'a été confrontée Meng Wang, chef de groupe principal à Janelia. Wang et son équipe étudient les mécanismes fondamentaux du vieillissement et de la longévité, et ils voulaient détecter de nombreuses biomolécules différentes dans des tissus intacts pour comprendre comment les composants changent au fur et à mesure que les tissus vieillissent.
"Il est très important de savoir, à chaque endroit spécifique, quelles sont les molécules qui s'y trouvent et ce qui se trouve dans les cellules voisines pour tout type de question biologique", explique Wang.
Par chance, le laboratoire de Wang se trouve au bout du couloir avec le scientifique principal de Janelia, Paul Tillberg. Ce dernier a co-inventé une technique appelée microscopie d'expansion lorsqu'il était étudiant diplômé au MIT. Cette méthode utilise un matériau hydrogel gonflable pour dilater les échantillons uniformément dans toutes les directions, jusqu'à ce que les détails les plus fins, comme la structure des sous-organites, puissent être détectés avec un microscope conventionnel.
Le processus d'expansion, qui date maintenant d'une dizaine d'années, est appliqué à d'autres méthodes que la microscopie traditionnelle. Wang, Tillberg et leurs collaborateurs de Janelia et de l'université du Wisconsin-Madison ont voulu voir s'ils pouvaient utiliser l'expansion pour résoudre le problème de résolution spatiale de l'imagerie par spectrométrie de masse.
Le résultat est une nouvelle méthode qui permet de dilater progressivement les échantillons de tissus sans avoir à les dégrader au niveau moléculaire, comme c'est le cas dans le processus d'expansion original. En dilatant les échantillons intacts dans toutes les directions, les chercheurs peuvent utiliser l'imagerie par spectrométrie de masse pour détecter simultanément des centaines de molécules au niveau de la cellule unique dans leur emplacement d'origine.
"Cela permet de jeter un coup d'œil non ciblé dans l'espace moléculaire, et nous essayons de nous rapprocher de ce que la microscopie peut faire en termes de résolution spatiale", explique Tillberg.
L'équipe a utilisé la nouvelle technique pour délimiter les schémas spatiaux spécifiques des petites molécules dans différentes couches du cervelet. Ils ont constaté que ces molécules - y compris les lipides, les peptides, les protéines, les métabolites et les glycanes - ne sont pas uniformément réparties, comme on le pensait auparavant. En outre, ils ont constaté que chaque couche spécifique du cervelet possède sa propre signature de lipides, de métabolites et de protéines.
L'équipe a également pu détecter des biomolécules dans des tissus rénaux, pancréatiques et tumoraux, démontrant ainsi que la méthode peut être adaptée à de nombreux types de tissus différents. Dans les tissus tumoraux, ils ont pu visualiser de grandes variations dans les biomolécules, ce qui pourrait être utile pour comprendre les mécanismes moléculaires des tumeurs et potentiellement aider au développement de médicaments.
"Lorsque l'on peut voir ces biomolécules, on peut commencer à comprendre pourquoi elles ont de tels motifs et comment cela est lié à la fonction", explique Mme Wang. Elle pense que la nouvelle technologie permettra aux chercheurs de suivre ces schémas au cours du développement, du vieillissement et de la maladie afin de comprendre comment les différentes molécules contribuent à ces processus.
Comme la nouvelle méthode ne nécessite pas l'ajout de matériel à un système d'imagerie par spectrométrie de masse existant et que la technique d'expansion est relativement facile à apprendre, l'équipe espère qu'elle sera utilisée par de nombreux laboratoires dans le monde entier. Ils espèrent également que la nouvelle technique fera de l'imagerie par spectrométrie de masse un outil plus utile pour les biologistes et ils ont présenté une description détaillée de la nouvelle méthode et une feuille de route pour l'adapter à d'autres types de tissus.
"Nous voulions mettre au point une méthode qui ne nécessite pas d'instruments ou de procédures spécialisés, mais qui puisse être largement adoptée", explique Wang.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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