Une étude montre que les nanodiamants peuvent aider à la recherche cellulaire

Au fil des ans, les scientifiques ont rassemblé une gamme étonnante de marqueurs microscopiques qu’ils peuvent placer dans les cellules chaque fois qu’ils ont besoin d’étiqueter et d’observer des parties distinctes de l’intérieur d’une cellule. Un tel étiquetage est utilisé pour un large éventail de recherches, y compris la recherche sur le cancer.

Mais il est loin d’être facile d’introduire ces marqueurs dans les cellules, à travers la membrane qui les protège des substances indésirables. Créer une brèche trop large dans la membrane cellulaire lors de l’injection des marqueurs peut être fatal pour la cellule. De plus, une fois qu’ils sont introduits clandestinement à l’intérieur, de nombreux marqueurs sont en fait toxiques – et sont soit attaqués par la cellule, soit conduisent à sa disparition.

À la recherche de marqueurs non toxiques, les scientifiques ont atterri sur des nanodiamants: identiques à ces bagues de fiançailles bejewelling, mais un million de fois plus petites. Les nanodiamants font d’excellents reporters dans les cellules, mais ils ne figurent pas encore dans les boîtes à outils des scientifiques, car les faire entrer dans la cellule sans endommager la membrane s’est avéré trop difficile.

Dirigée par ma superviseure Christelle Prinz de NanoLund, Université de Lund, notre équipe a créé une nouvelle façon d’introduire des nanodiamants dans les cellules sans causer de dommages ou inciter la cellule à les attaquer. Notre nouvelle technique aidera les scientifiques à étudier les propriétés des cellules vivantes au niveau moléculaire, mais elle pourrait également devenir un nouvel outil polyvalent pour nous aider à mieux comprendre les maladies cellulaires comme le cancer et la maladie d’Alzheimer.

Nos corps sont construits à partir d’environ 40 billions de cellules, d’une taille comprise entre 1 et 100 micromètres. Certaines de ces cellules tombent parfois malades – provoquant le cancer dans divers tissus ou des maladies neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer dans les cellules cérébrales. En surveillant les cellules malades, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur les origines et le développement de ces maladies.

Les microscopes peuvent jeter un œil à l’intérieur d’une cellule, mais ils ne parviennent pas à distinguer une cellule malade de son homologue saine. Pour une surveillance plus détaillée, les chercheurs étiquettent les cellules avec des marqueurs biologiques qui exposent davantage ce qui se passe à l’intérieur des cellules.

Les marqueurs biologiques existants, comme les colorants organiques et les protéines fluorescentes, peuvent exposer certaines des conditions dans une cellule à étudier par les chercheurs. Mais ces marqueurs tuent souvent la cellule, limitant leur utilité pour les études cellulaires à long terme. Les nanodiamants, par contre, ne tuent pas les cellules – c’est pourquoi ils sont maintenant utilisés par les chercheurs en science cellulaire.

Les nanodiamants sont soit produits en faisant exploser des diamants synthétiques, soit à partir de la poudre qui reste après le broyage des diamants naturels. Malgré leurs connotations de luxe, ils sont en fait relativement bon marché pour des chercheurs comme nous – coûtant à peu près le même prix que les biomarqueurs existants.

Surtout, les nanodiamants sont biocompatibles: ils sont totalement inoffensifs et non toxiques lorsqu’ils sont placés à l’intérieur de tissus vivants. Cela signifie qu’ils peuvent se cacher incognito dans nos cellules. Une fois à l’intérieur, les nanodiamants brillent à l’intérieur des cellules – renvoyant des informations aux chercheurs sous forme de lumière fluorescente, dont la longueur d’onde change en fonction du pH ou de la température à l’intérieur de la cellule.

Ce n’est pas facile d’introduire des nanodiamants dans une cellule. Les membranes cellulaires ont développé un appareil de protection impressionnant pour garder les intrus indésirables à l’extérieur. Pour introduire des nanodiamants, soit il faut espérer que les cellules les inviteront volontairement – un processus très lent et inefficace – soit il faut forcer leur entrée à travers la membrane cellulaire.

La microinjection, à l’aide d’aiguilles microscopiques, a été utilisée pour délivrer des marqueurs tels que des nanodiamants à travers la membrane cellulaire sans endommager mortellement la cellule, mais c’est une méthode laborieuse qui échoue souvent.

Même après une infiltration réussie, les nanodiamants risquent d’être engloutis par les lysosomes d’une cellule, qui ressemblent un peu aux gardes du corps d’une cellule. Les biomarqueurs capturés et confinés dans les lysosomes sont de peu d’utilité pour les chercheurs qui tentent d’observer la cellule entière.

Nous avons développé une nouvelle méthode pour introduire un grand nombre de nanodiamants dans les cellules, en grande partie non détectés par les lysosomes, et sans endommager la cellule elle-même. Notre approche combine un champ électrique très doux, qui facilite l’ouverture de la membrane cellulaire, avec ce que l’on appelle des «nanotraws» – comme des pailles à boire, mais nanoscopiquement petits.

Dans notre étude, nous avons utilisé des cellules provenant d’un patient atteint d’un cancer du poumon. Nous posons ces cellules sur des milliers de nano-tirages, comparables à un minuscule lit de clous. Sous ces nanotraws se trouvent nos nanodiamants, dans une solution légèrement conductrice.

Lorsque nous avons appliqué des impulsions électriques basse tension aux nanodiamants, de petites ouvertures sont apparues à travers la membrane cellulaire, à la pointe de chaque nanodiamant, créant une voie d’accès pour que les nanodiamants atteignent l’intérieur de la cellule.

Les impulsions électriques ont encouragé la solution conductrice à remonter à travers les pailles, entraînant les nanodiamants avec elle à travers les minuscules brèches de la membrane cellulaire. Lorsque nous avons arrêté les impulsions, les petites ouvertures dans la membrane cellulaire se sont refermées derrière la cargaison de nanodiamants de contrebande.

Notre nouvelle technique est environ 300 fois plus rapide que de simplement incuber des cellules dans une solution de nanodiamants et d’attendre que certaines d’entre elles passent naturellement dans la cellule. Il a également réduit de moitié le piégeage des nanodiamants à l’intérieur des lysosomes, permettant ainsi à une grande partie des nanodiamants livrés de rester libre et mobile à l’intérieur de la cellule: une infiltration réussie.

Étant donné que les nanodiamants peuvent rendre compte de la température ou de l’acidité de différentes parties d’une cellule au fil du temps, nous espérons que notre technique d’infiltration de nanodiamants pourrait aider à identifier et à suivre les cellules cancéreuses ou les cellules cérébrales impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Et, si nous pouvons trouver un moyen d’associer des nanodiamants à certains produits chimiques, nous pourrions également trouver des moyens encore plus raffinés d’espionner les conditions dans les éléments fondamentaux de notre corps.