La stimulation lumineuse récupère partiellement la fonction mitochondriale

Une nouvelle recherche de l’Université de Cincinnati montre les premières indications que la lumière peut être utilisée comme traitement pour certaines maladies, y compris le cancer.

Des chercheurs de l’UC, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et de l’Université de Buffalo ont publié les résultats de leur étude démontrant que les protéines activées par la lumière peuvent aider à normaliser le dysfonctionnement au sein des cellules dans le journal Communication Nature 25 juillet.

Résultats de recherche

La recherche est centrée sur les fonctions des mitochondries, des organites au sein d’une cellule qui agissent comme la « centrale électrique » et la source d’énergie de la cellule. Les organelles sont de minuscules structures spécialisées qui effectuent diverses tâches à l’intérieur des cellules.

Jiajie Diao, PhD, l’un des auteurs de l’étude, a déclaré que des centaines de mitochondries se rassemblent constamment (un processus appelé fusion) et se divisent en parties plus petites (un processus appelé fission) pour rester en équilibre dans les cellules saines. Mais lorsque les mitochondries ne fonctionnent pas correctement, il y a un déséquilibre de ce processus de fission et de fusion.

Ce déséquilibre peut entraîner un certain nombre de maladies mitochondriales, notamment des maladies neurodégénératives comme la démence et certains cancers.

Diao a déclaré que des recherches antérieures avaient révélé qu’un autre organite dans les cellules appelé lysosome pouvait jouer un rôle dans la fission des mitochondries. Lorsqu’une mitochondrie entre en contact avec un lysosome, le lysosome peut agir comme une paire de ciseaux et couper les mitochondries en plus petits morceaux.

La recherche actuelle s’est concentrée sur le démarrage du processus de fission en rapprochant les lysosomes et les mitochondries au sein des cellules. Ceci a été accompli en utilisant une technique connue sous le nom d’optogénétique, qui peut contrôler avec précision des fonctions cellulaires spécifiques à l’aide de la lumière.

« De nombreuses protéines végétales sont sensibles à la lumière, informant les plantes s’il fait jour ou nuit. L’optogénétique emprunte ces protéines photosensibles aux plantes et les utilise dans les cellules animales », a déclaré Kai Zhang, PhD, professeur agrégé à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign et co-auteur de l’étude, qui a développé les outils optogénétiques pour contrôler les mitochondries et les lysosomes avec lumière bleue. « En attachant de telles protéines aux organites, on peut utiliser la lumière pour contrôler l’interaction entre elles, comme les mitochondries et les lysosomes montrés dans ce travail », a-t-il déclaré.

Les chercheurs ont attaché deux protéines distinctes aux mitochondries et aux lysosomes dans les cellules souches. Lorsqu’elles sont stimulées par la lumière bleue, les protéines se lient naturellement les unes aux autres pour former une nouvelle protéine, qui met également en contact les mitochondries et le lysosome. Une fois qu’ils sont réunis, le lysosome peut couper les mitochondries, réalisant la fission.

« Nous avons découvert qu’il peut récupérer la fonction mitochondriale », a déclaré Diao, professeur agrégé au Département de biologie du cancer du Collège de médecine de l’UC et membre du Centre de cancérologie de l’Université de Cincinnati. « Certaines des cellules peuvent même revenir à la normale. Cela prouve qu’en utilisant simplement une simple stimulation lumineuse, nous pouvons au moins partiellement récupérer la fonction mitochondriale de la cellule.

Diao a déclaré que cette technique pourrait être particulièrement utile pour les patients présentant des mitochondries considérablement surdimensionnées qui doivent être divisées en plus petits morceaux pour atteindre une fonction cellulaire normale. La technique pourrait également viser les cellules cancéreuses, séparant continuellement les mitochondries en morceaux de plus en plus petits jusqu’à ce qu’elles ne puissent plus fonctionner.

« Finalement, les cellules cancéreuses seront tuées parce que les mitochondries sont leur énergie », a déclaré Diao. « Sans mitochondries fonctionnelles normales, toutes les cellules cancéreuses seront tuées. »

Étant donné que les protéines sont activées par la lumière, Diao a déclaré que cela permet une approche plus ciblée de cellules spécifiques. Seules les cellules exposées à la lumière sont affectées, ce qui signifie que les cellules saines à proximité n’ont pas leurs mitochondries déséquilibrées par la technique.

Il existe actuellement d’autres processus qui peuvent être utilisés pour induire la fission mitochondriale, mais Diao a déclaré que la méthode optogénétique est plus sûre car elle n’implique aucun produit chimique ou agent toxique.

« Ce que nous avons est en fait le processus naturel, nous le rendons juste plus rapide », a déclaré Diao. « Donc, ce n’est pas comme un produit chimique ou une thérapie ou une radiothérapie où vous devez réduire les effets secondaires. »

Prochaines étapes

Diao a déclaré que son équipe travaillait déjà sur l’utilisation de la même technique pour encourager la fusion afin de résoudre les problèmes lorsque les mitochondries sont déséquilibrées parce qu’elles sont trop petites et ne se rassemblent pas comme elles le devraient dans les cellules.

D’autres recherches du laboratoire de Zhang comprendront également le développement de nouveaux systèmes optogénétiques fonctionnant avec différentes couleurs de lumière, y compris le vert, le rouge et l’infrarouge, car une longueur d’onde plus longue sera nécessaire pour pénétrer les tissus humains.

« Nous aimerions élargir davantage la boîte à outils en introduisant des systèmes optogénétiques multicolores pour nous donner plusieurs façons de contrôler le comportement et l’interaction des organites », a déclaré Zhang. « Par exemple, une couleur rapproche les organites, tandis que l’autre les sépare. De cette façon, nous pouvons contrôler précisément leurs interactions.

A partir de la recherche actuelle utilisant des cellules souches humaines, l’équipe espère progresser pour tester son efficacité sur des modèles animaux en vue de tester éventuellement la technique chez l’homme par le biais d’essais cliniques. Dans le même temps, Diao a déclaré que d’autres groupes de recherche étudient l’utilisation des champs magnétiques et des vibrations acoustiques au lieu de la lumière pour obtenir des résultats similaires.

Référence: Qiu K, Zou W, Fang H, et al. Fission mitochondriale activée par la lumière grâce au contrôle optogénétique des contacts mitochondries-lysosomes. Nat Commun. 2022;13(1):4303. doi : 10.1038/s41467-022-31970-5

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