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Des nanotubes relient nos cellules

Cellules reliées par un nanotube TNT. Document UWA/Paul McMenamin.

Histoire d'une découverte

Des scientifiques ont découvert par hasard ce qui pourrait bien constituer l'une des plus grandes découvertes en biologie de ces dernières décennies.

Tout commença en 2002 lorsque Amin Rustom observa quelque chose d'étrange sous sous microscope. Un tube long et très fin s'était formé entre deux cellules de rats qu'il étudiait. Cela ne ressemblait à rien qu'il ait vu jusqu'alors.

Son responsable, Hans-Hermann Gerdes, lui demanda de répéter l'expérience. Rustom le fit mais ne vit rien d'inhabituel. Quand Gerdes le questionna, Rustom admit que la première fois il n'avait pas suivi le protocole standard consistant à change le liquide dans lequel les cellules avaient grandi entre les observations. Gerdes lui demanda de refaire l'expérience, avec les erreurs et le reste, et le phénomène réapparut : de longues et fines connections s'étendirent entre les cellules. C'était quelque chose de nouveau - une façon inconnue par laquelle les cellules animales pouvaient communiquer les unes avec les autres.

Gerdes and Rustom, alors à l'Université de Heidelberg en Allemagne, ont appelé ces connections des "tunnelling nanotubes" (TNT) ou nanotubes tunnels. Réalisant qu'ils avaient peut-être découvert quelque chose de significatif, les deux chercheurs ont finalement publié un article sur leurs travaux dans le magazine Science en 2004 (Science, vol 303, p 1007).

Une simple curiosité ?

A l'époque, il n'était pas évident que ces structures étaient autre chose qu'une curiosité observée dans des circonstances particulières. Depuis leur article avantgardiste, d'autres groupes de chercheurs ont également découvert des nanotubes dans toutes sortes d'endroits, des neurones aux cellules cardiaques. 

Les études sur les nanotubes TNT suggèrent l'existence d'un nouveau moyen de communication entre cellules basé sur la continuité de la membrane et le transfert intercellulaire de composants cellulaires comme les organelles et des molécules de signalement.

Il semble que la communication fondée sur ces nanotubes représente un mécanisme largement utilisé dans le royaume animal, allant de la différentiation cellulaire, à la prolifération et le développement des maladies.

Loin d'être une simple curirosité, ces nanotubes sont apparus comme acteurs très actifs dans toutes sortes de domaines allant de la manière dont le système immunitaire répond aux aggressions à la manière dont les muscles endommagés se réparent après une attaque cardiaque.

Les nanotubes TNT peuvent également être empruntés : les nanotubes peuvent fournir au rétrovirus HIV (sida) tout un réseau de tunnels secrets lui permettant de s'évader du système immunitaire, pendant que certaines tumeurs cancéreuses pourraient emprunter les nanotubes pour échapper à la chimiothérapie ou la détourner de son dessein. Dit simplement, les nanotubes TNT semblent être partout, dans le corps malade comme dans le corps sain.

Rien de connu

On sait depuis longtemps que les différentes structures contenues dans les cellules végétales sont parfois reliées entre elles par un réseau de connections nanotubulaires appelées plasmodesmes. Toutefois, rien de semblable n'avait jamais été observé chez l'animal.

On croyait que les cellules animales communiquaient presque exclusivement en libérant des substances chimiques qui pouvaient être détectées par les récepteurs placés sur la surface des autre cellules. Ce type de communication peut être très spécifique - les extensions des neurones peuvent s'étendre sur plus d'un mètre pour rejoindre d'autres cellules nerveuses - mais il n'implique aucune connection directe entre les composants internes des neurones.

On pensait que l'équivalent animal se rapprochant le plus des plasmodesmes était la jonction gap, une sorte de rivet creux joignant les membranes de cellules adjacentes. Un canal percé à travers le centre de chaque jonction gap relie directement les intérieurs cellulaires, mais ce canal est très étroit - entre 0.5 et 2 nm de largeur - et seuls des ions ou de très petites molécules peuvent passer d'une cellule à l'autre.

Les nanotubes sont différents. Ils ont entre 50 et 200 nm d'épaisseur, ce qui est plus que suffisant pour laisser passer des protéines d'une cellule à l'autre. De plus, ils peuvent s'étendre sur des distances de plusieurs diamètres cellulaires, contournant les obstacles pour connecter les intérieurs de deux cellules distantes. "Ceci offre à l'organisme une nouvelle manière de communiquer très sélectivement sur de grandes distances", explique Gerdes. Jusqu'à présent on ignorait que les cellules pouvaient communiquer de cette façon.

Après avoir observé les premiers nanotubes dans des cellules de rats, Gerdes et Rustom en ont vu se former entre des cellules de reins humains. En fixant une caméra vidéo sur leur microscope, ils sont pu observer des cellules adjacentes se relier entre elles en projetant des sortes d'antennes, établissat des contacts pour ensuite construire les connections tubulaires. Ces nanotubes ne reliaient pas simplement deux cellules. Les cellules conconcernées pouvaient projeter plusieurs nanotubes, formant un réseau intriqué et temporaire de liens durant quelques minutes à plusieurs heures. Grâce à des protéines fluorescentes, l'équipe découvrit également que des structures cellulaires relativements grandes, des organelles, pouvaient transiter d'une cellule à l'autre grâce aux nanotubes.

Fonctionnement des nanotubes

Le premier indice du fonctionnement des nanotubes membranaires, ainsi que certains chercheurs préfèrent les appeler, serait apparu suite à l'étude de Simon Watkins et ses collègues de l'Université de Pittsburgh, Pennsylvanie, alors qu'ils étudiaient les cellules dendritiques, les sentinelles du système immunitaire. Lorsqu'une cellule dendritique détecte un envahisseur, elle s'apprête à sonner l'alarme. Un des signes de cette activation est un changement des niveaux de calcium contenus dans la cellule.

Pendant que Watkins excitait une cellule dendritique avec une micro-aiguille contenant des toxines bactériennes, il observa une fluctuation de calcium dans une cellule dendritique très éloignée de celle qu'il avait touchée. "Wow, c'est plutôt cool" pensa Watkins. L'information sur la toxine avait d'une manière ou d'une autre été communiquée à une cellule éloignée. Rien dans son expérience pouvait expliquer ce phénomène.

Quand Watkins consulta la littérature, il découvrit l'article de Gerdes. Son équipe étudia alors les cellules dendritiques sous un autre angle. C'est alors qu'ils découvrirent que les cellules étaient connectées par un réseau de nanototubes TNT.

Des recruteurs

Watkins pense que que les cellules dendritiques pourraient utiliser les nanotubes pour recruter d'autres cellules. La sagesse conventionnelle dit qu'une fois qu'une cellule dentritique est activée, elle migre vers les ganglions de la lymphe pour alerter le système immunitaire. Parfois, elle doit voyager du bout d'un doigt jusqu'à l'aisselle - un long et périlleux voyage qui peut échouer avec tous les risques d'infection que cela peut induire.

Deux cellules reliées par un nanotube. Document H.Gerdes.

Mais si une cellule dendritique recrute d'abord d'autres sentinelles et que toutes marchent simultanément vers les ganglions de la lymphe, il y a beaucoup moins de risques que le message soit perdu. "Il vous permet d'amplifier la réponse", explique Watkins. "Ce ne sont évidemment que des hypothèses. Nous devons encore les prouver", conclut-il.

Entre-temps, Stefanie Dimmeler et son équipe de l'Université de Frankfort en Allemagne ont étudié comment les cellules souches pouvaient se transformer en cellules cardiaques. Dans les souris du moins, des cellules souches injectées après des attaques cardiaques se sont transformées en nouvelles cellules de muscle cardiaque, remplaçant les tissus morts.

Quand l'équipe de Dimmeler a mélangé des cellules de muscle cardiaque et des cellules souches dans une boîte de Petry, ils ont découvert que les deux populations établissaient des connections via des nanotubes. Ils ont même observé un transfert d'organelles telles que des mitochondries (Circulation Research, vol 96, p 1039). Dimmeler pense que le transfert par les nanotubes de molécules de signalement et des protéines spécifiques que sont les facteurs de transcription favorise la transformation des cellules souches.

La meilleure façon de prouver ces hypothèses serait de démontrer que sans nanotubes, les cellules souches mélangées à des cellules de muscle cardiaque ne se transforment pas en ces dernières. Le problème est que personne n'a encore trouvé le moyen de détruire les nanotubes sans également endommager la cellule à laquelle ils sont rattachés.

Des nanotubes empruntés

Alors que les indices pouvant expliquer le rôle ordinaire des nanotubes TNT demeure circonstanciel, il paraît évident que les réseaux qu'ils forment peuvent être empruntés.

En effet, dans une étude publiée en 2008, Daniel Davis et son équipe de l'Imperial College de Londres ont infecté des cellules du système immunitaire avec un HIV modifié pour exprimer une protéine fluorescente, pour ensuite mélanger les cellules infectées avec des cellules saines. "Nous pouvions littéralement voir des amas de cette protéine se déplacer de la cellule infectée vers la cellule saine, le long d'un fil de nanotube", déclara Davis. Ceci suggère fortement que l'infection peut s'étendre d'une cellule à l'autre de cette manière (Nature Cell Biology, vol 10, p 211).

Ce comportement expliquerait pourquoi certaines personnes infectées par le HIV, bien que porteuses des anticorps du rétrovirus, ne semblent pas capables de s'en débarrasser. "Pour une raison ou une autre les virus évitent la reconnaissance par le système immunitaire et une manière d'y parvenir pourrait être le fait qu'ils se propagent d'une cellule à l'autre à travers des contacts cellulaires directs", explique Davis.

Un autre agent infectieux qui pourrait tirer profit des nanotubes TNT sont les prions, à l'origine de la maladie de la vache folle. "Une des questions-clés non résolue dans ce domaine et de savoir comment les prions passent d'une cellule à l'autre dans le système nerveux pour y provoquer la maladie", expliques Byron Caughey de l'Institut National américain de la Santé (NIH) à Hamilton, Montana.

Un lien possible avec les prions

L'équipe de Caughey a déjà mis en évidence un mécanisme sans lien avec les nanotubes TNT par lequel les prions s'étendent, mais il est probable que ce n'est pas le seul moyen. "Actuellement nous sommes très intrigués par le rôle éventel que pourraient jouer les nanotubes TNT dans l'infection cellules des prions", dit-il. "Une fois que vous connaissez le mécanisme du transfert de cellule à cellule, cela entr'ouvre de nouveaux objectifs thérapeutiques."

Les nanotubes pourraient également jouer un rôle dans les tumeurs devenant résistantes à la chimiothérapie. La plupart de ces résistances sont induites par une classe de protéines appelée "transporteur ABC" qui pompent les médicaments anti-cancéreux à l'extérieur des cellules. On a récemment découvert que les cellules tumorales ne disposant pas de ces protéines pouvaient les acquérir d'autres cellules malades. Comment le font-elles ?

On a découvert que les cellules du cancer de la prostate échangeaient également des substances à travers le réseau de nanotubes TNT. On peut imaginer que les cellules cancéreuses utilisent ces réseaux de nanotubes pour échanger des transporteurs ABC et ainsi propager la résistance aux médicaments à travers la tumeur, explique Gerdes. "Si cela est vrai et si je pouvais trouver un médicament capable d'inhiber la croissance de ces nanotubes, je pourrais réduire la résistance à la chimiothérapie.", conclut-il.

Caractérisation

Deux cellules reliées par un nanotube. Gross. 8000X. Document H.Gerdes

Les nanotubes TNT existent sous différentes formes et dimensions, leur épaisseur comme leur longueur variant également d'un type de cellule à l'autre. Leur mode de fonctionnement reste par contre mystérieux. Nous avons toutefois quelques indices.

L'équipe de Gerdes a par exemple découvert que les nanotubes qu'ils étudient contiennent de la Va myosine, un type de protéine moteur. Ailleurs dans les cellules, les objets attachés aux myosines se déplacent le long de pistes faites de protéines appelées actines. Sachant cela, Gerdes pense que ce type de processus pourrait aider les substances à se déplacer dans les nanotubes.

Caractériser précisément la nature des nanotubes est crucial. L'équipe de Gerdes essaye actuellement de trouver des protéines spécifiques aux nanotubes. Une fois identifiées, ces protéines pourraient être identifiées avec des marqueurs fluorescents, facilitant leur observation. De telles études pourraient également permettre de détruire ou de manipuler ces structures et fournir une solide preuve de leur importance - et beaucoup de chercheurs doivent encore être convaincus.

Critiques de la méthode

Si les nanotubes TNT sont réellement omniprésents, les critiques se demandent encore comme a-t-il été possible de les découvrir si tardivement ? Et pourquoi n'ont-ils été observés que dans des cellules mises en culture (en dehors de l'organisme) ?

Il y a peut-être plusieurs raisons pouvant expliquer pourquoi ces nanotubes ont échappé si longtemps au regard inquisiteur des biologistes.

D'abord, les nanotubes TNT sont extrêmement fragiles : le fait de secouer une boîte de Petry contenant des cellules ou oublier de changer le milieu nutritif- ce que fit Rustom - peut suffire à rompre ces tubes, comme certains produits chimiques utilisés pour fixer les préparations, y compris ceux utilisés pour les microscopes électroniques. Même une exposition prolongée à la lumière peut les détruire. (Cette extraordinaire sensibilité aux produits chimiques et à la lumière pourrait un jour fournir un moyen de détruire sélectiovement les nanotubes.)

De plus, quand les biologistes observent des cellules mises en culture, ils se concentrent généralement sur le fond du disque ou les côtés, là où des structures comme les nanotubes sont cachées par des débris. Finalement, bien que les nanotubes soient insaisissables, beaucoup de chercheurs les ont sans doute observés depuis des années sans réaliser ce qu'ils observaient.

Reste la question des études in vivo. On en a réalisée. A l'Université Western Australia de Crawley, par exemple, Paul McMenamin et son équipe ont étudié les cellules dendritiques de cornée de souris. 

Holly Chinnery, une étudiante travaillant avec McMenamin, observa un jour quelque chose d'inhabituel. "Elle remarqua ces cellules ayant de grands et longs fils", dit McMenamin. "Elle me montra les photos et je dis, 'Gosh, je n'ai jamais rien vu de pareil auparavant.'" Jusqu'à ce qu'un collègue parla des nanotubes à Chinnery. "Cela nous a directement parlé", dit McMenamin. "Nous réalisâmes que nous avions la première preuve de leur existence in vivo."

Leur travail, publié en mai 2008, montre que les nanotubes ne sont pas simplement des artifacts liés aux protocoles utilisés (des erreurs liées aux méthodes utilisées pour assurer la croissance des cellules mises en culture), comme certains l'ont suggéré. Ce qu'ils ont vu est spectaculaire : certains comptent parmi les plus longs nanotubes TNT jamais observés : plus de 300 micromètres de longueur. Ils reliaient des cellules dentritiques dans la cornée (The Journal of Immunology, vol 180, p 5779). "Nous pouvions voir tout le réseau filiforme à travers la cornée", expliqua McMenamin. "C'est fantastique."

En fait, depuis que ces nanotubes ont été découverts, il ne fait aucun doute que d'autres chercheurs les remarqueront dans d'autres tissus. Auparavant les chercheurs ne connaissaient pas ces structures et n'étaient pas préparés à les observer; en conséquence, ils ne les voyaient pas ! Aujourd'hui ils ont conscience de leur réalité, et même si elles sont à peine discernables parmi les autres structures, ils les verront sans doute dans leurs préparations, car aujourd'hui ils savent ! Comme le disait Pasteur "Dans le champ de l'observation le hasard ne favorise que les esprits préparés".

Nous reviendrons largement sur cet état d'esprit des chercheurs lorsque nous aborderons la philosophie et l'objectif de la Science.

Spéculations

Les biologistes peuvent s'émerveiller de la manière dont les cellules fonctionnent. Mais il reste encore bien des questions et des mystères non résolus.

Aujourd'hui les chercheurs se demandent jusqu'à quelle distance les nanotubes peuvent porter leur influence. Certains pensent qu'ils pourraient jouer un rôle crucial dans le développement cellulaire.

Ainsi, une des questions-clés en suspens est de savoir comment les cellules communiquent entre elles au cours du développement de l'embryon. Nous savons que certaines cellules libèrent des molécules appelées morphogènes qui diffusent à travers le milieu intercellulaire. Le gradient de concentration résultant indique aux cellules où elles se trouvent dans l'embryon et elles s'y développent en conséquence. Mais cela n'explique pas tout.

Pour l'instant, deux cellules très distantes peuvent présenter une expression génétique similaire alors que d'autres plus proche ne l'exprime pas. Si un gradient morphogénique en est responsable, alors il est certain que les cellules proche de celle libérant le morphogène doivent y répondre. Gerdes, aujourd'hui à l'Université de Bergen en Norvège, pense que de telles observations pourraient être expliquées si les morphogènes sont distribués directement jusqu'à certaines cellules à travers un réseau de nanotubes. "il serait beaucoup plus attrayant pour la nature d'avoir ce lien direct", dit-il. 

Les cellules végétales sont connues pour utiliser leur version des nanotubes, les fameux plasmodesmes. Elles s'en servent pour transférer des microARN afin d'influencer l'activité génétique d'une cellule à l'autre durant l'embryogénèse. "Ces microARN permettent certaines expressions dans des cellules adjacentes ou très éloignées", explique Gerdes. Les cellules animales pourraient faire la même chose. 

Encore plus spéculatif est l'idée que le développement des organes pourrait être influencé par des nanotubes TNT. On ne comprend pas encore bien comment les organes "savent" quelle taille ils doivent avoir ou la forme exacte qu'ils doivent prendre. "Ce sont autant de questions ouvertes", reconnaît Gerdes. Il présume que si les cellules d'un organe donné étaient connectées par des nanotubes, ces connections pourraient les aider à développer un mécanisme de feedback capable de leur fournir l'information nécessaire au développement de l'organe jusqu'à ce qu'il ait atteint la bonne taille et la bonne forme. Bien sûr tout cela n'est que pure spéculation, hypothèses gratuites. Reste à les démontrer.

Pour plus d'informations

H.-Herdes et A.Rustom, Science, Vol 303, N° 5660, p1007-1010, 2004
Eugenin et al., Tunneling nanotubes, 2009

Tunneling nanotubes, thèses 2009-2014.

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