Protocole de dosage de cisaillement pour la détermination des propriétés d’un matériau unicellulaire
19 mai 2023
Ce protocole décrit la quantification des propriétés mécaniques des lignées cellulaires cancéreuses et non cancéreuses in vitro. Les différences conservées dans la mécanique des cellules cancéreuses et normales peuvent agir comme un biomarqueur qui peut avoir des implications dans le pronostic et le diagnostic.
Les caractéristiques physiques du cancer sont des sujets relativement nouveaux et passionnants dans la recherche sur le cancer. Notre recherche vise à caractériser spécifiquement les propriétés mécaniques des cellules cancéreuses et non cancéreuses afin de mieux comprendre les mécanismes physiques par lesquels les cellules cancéreuses survivent aux forces de cisaillement dans le corps et envahissent le système immunitaire. Le développement récent de ma période de recherche est l’utilisation de dispositifs microfluidiques et de techniques à haut débit pour étudier à plus grande échelle, la déformabilité cellulaire et les propriétés viscoélastiques des cellules, ainsi que dans l’identification de nouveaux biomarqueurs tels que la régulation des protéines du cytosquelette et des protéines de la matrice extracellulaire pour le diagnostic précoce du cancer.
Les défis expérimentaux actuels impliqués dans ce domaine sont la complexité du microenvironnement tumoral, le débit de mise à l’échelle, la traduction clinique, la normalisation et la reproductibilité, et l’intégration des données multimodales. Ainsi, certaines des conclusions importantes que j’ai établies dans ce domaine à partir de mes recherches antérieures et de mes recherches actuelles sont que les cellules cancéreuses peuvent être distinguées des cellules normales en fonction de leurs réponses aux facteurs de stress mécaniques. Et la mesure dans laquelle la résistance aux facteurs de stress mécaniques dépend de l’intégrité structurelle, qui est dictée dans une mesure raisonnable par la présence de protéines cytosquelettiques comme l’actine filamenteuse et d’autres protéines structurelles dans la cellule.
Notre protocole offre une approche simple, reproductible et non destructive pour caractériser mécaniquement les cellules cultivées. Cela contraste avec d’autres techniques comme l’AFM et les pincettes optiques, qui nécessitent un certain niveau d’expertise technique pour effectuer une expérience dans un débit relativement faible. Dans le cadre de l’utilisation de la technique de l’acide de cisaillement, fera grandement progresser la caractérisation mécanique unicellulaire et contribuera également à de nombreux domaines transversaux tels que le diagnostic des maladies rares, le diagnostic et les soins personnalisés et la surveillance des interactions médicamenteuses unicellulaires.
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Aperçu
Ce protocole décrit la quantification des propriétés mécaniques de lignées cellulaires cancéreuses et non cancéreuses in vitro. Comprendre ces différences mécaniques peut fournir des informations sur le pronostic et le diagnostic du cancer.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Mécanique cellulaire
- Recherche sur le cancer
- Développement de biomarqueurs
Contexte
- Les caractéristiques physiques du cancer sont essentielles pour comprendre le comportement tumoral.
- La caractérisation des propriétés mécaniques aide à déterminer comment les cellules cancéreuses survivent et envahissent les tissus.
- Les dispositifs microfluidiques et les techniques à haut débit sont des outils émergents dans ce domaine de recherche.
- Les défis incluent la complexité du microenvironnement tumoral et la traduction clinique.
Objectif de l'étude
- Quantifier les propriétés mécaniques des cellules cancéreuses par rapport aux cellules non cancéreuses.
- Étudier la déformabilité cellulaire et les propriétés viscoélastiques.
- Identifier de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic précoce du cancer.
Méthodes utilisées
- Quantification des propriétés mécaniques à l'aide de dispositifs microfluidiques.
- Évaluation des réponses cellulaires aux contraintes mécaniques.
- Analyse de la régulation des protéines du cytosquelette et de la matrice extracellulaire.
- Techniques à haut débit pour des études à grande échelle.
Résultats principaux
- Les cellules cancéreuses présentent des réponses mécaniques distinctes par rapport aux cellules normales.
- La résistance au stress mécanique est liée à l'intégrité du cytosquelette.
- Identification des protéines structurales influençant la mécanique cellulaire.
- Apercus sur des biomarqueurs potentiels pour le diagnostic du cancer.
Conclusions
- Les propriétés mécaniques peuvent servir de biomarqueurs pour le cancer.
- La compréhension de la mécanique cellulaire est essentielle pour la recherche sur le cancer.
- Les études futures devraient se concentrer sur la surmontée des défis expérimentaux actuels.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
L'évaluation quantitative des propriétés mécaniques des cellules individuelles comble un manque crucial en biologie du cancer en permettant une mesure normalisée et reproductible des phénotypes biomécaniques. Cette capacité soutient la réduction des risques mécanistiques et la validation des cibles aux premiers stades de la découverte en oncologie, orientant ainsi le développement de biomarqueurs et la sélection de projets. L'intégration de lectures biophysiques fiables dans les flux de recherche et développement renforce la confiance prédictive dans le choix des systèmes pertinents pour la maladie et dans les décisions précoces de poursuite ou d'abandon.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmacie
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet l'interrogation directe de la biomécanique cellulaire en tant que phénotype fonctionnel pour la validation de cibles.
- Contribue à l'atténuation des risques mécanistiques en distinguant les cellules malignes des cellules non malignes selon leurs propriétés viscoélastiques.
- Facilite l'identification de biomarqueurs biophysiques associés à la régulation du cytosquelette et de la matrice extracellulaire.
- Fournit des données quantitatives permettant d'évaluer la fiabilité prédictive des modèles pertinents pour la maladie.
Développement de criblages et de tests
- Permet de réaliser des tests standardisés et reproductibles au niveau cellulaire unique, adaptés à des protocoles de criblage en aval.
- Génère des données quantitatives sur la contrainte et la déformation pour un développement robuste des tests.
- Permet une comparaison reproductible des effets de composés sur la mécanique cellulaire dans des conditions à haut débit.
- Prend en charge l'extensibilité de la plateforme et la comparabilité entre études grâce à l'analyse par corrélation d'images numériques.
Recherche translationnelle et préclinique
- Associe les données biophysiques aux stratégies translationnelles de biomarqueurs pour le diagnostic précoce du cancer.
- Assure une continuité entre les découvertes mécanistiques à un stade préliminaire et le choix des modèles précliniques.
- Permet une progression ajustée au risque en reliant les phénotypes mécaniques aux stades d'évolution de la maladie.
- Facilite la surveillance des interactions médicamenteuses au niveau monocellulaire, pertinentes pour les approches de médecine personnalisée.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce protocole de test de cisaillement s'inscrit à l'interface entre la phase de découverte précoce et l'identification de composés candidats, en offrant un flux de travail standardisé pour la quantification de la mécanique cellulaire et en soutenant les recherches translationnelles ultérieures.
- Découverte en biologie : Permet la vérification d'hypothèses sur le rôle de l'intégrité du cytosquelette dans la survie et l'invasion des cellules cancéreuses.
- Essais de criblage : Fournit des données reproductibles et quantitatives sur la déformation et la déformation spécifique, prêtes à être utilisées dans les évaluations d'essais et de composés.
- Analyse : Produit des résultats de corrélation d'images numériques et des ajustements selon des modèles viscoélastiques permettant des comparaisons statistiques rigoureuses.
- Recherche translationnelle : Établit un lien entre les phénotypes mécaniques et le développement de biomarqueurs ainsi que l'évaluation de la progression des maladies.
- Réutilisation en milieu professionnel : Met en place une plateforme évolutible et non destructive pouvant être utilisée à plusieurs reprises sur divers types cellulaires et modèles de maladies.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la validation des cibles.
- Valeur opérationnelle : Améliore la standardisation, la reproductibilité et le débit dans les essais mécaniques unicellulaires.
- Valeur stratégique : Permet de mieux prendre des décisions précoces d'orientation (go/no-go) et d'optimiser l'efficacité du capital en rendant possible un criblage biophysique robuste.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation et l'avancement ajustés au risque des actifs en oncologie fondés sur des phénotypes fonctionnels.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en microfluidique, en corrélation d'images numériques et en modélisation viscoélastique.
- Exige un accès à des pompes à seringue programmables, à une microscopie inversée et à un logiciel d'analyse DIC.
- Implique une standardisation inter-équipes des protocoles de mise en place des tests et d'analyse des données.
- Adaptable à divers types cellulaires, mais peut nécessiter une optimisation selon les modèles de maladies.
- Le débit et l'intégration avec des données multimodales restent des considérations pratiques pour les études à grande échelle.
