Une nouvelle approche de l’immunométabolisme est pionnière dans la métabolomique spatiale unicellulaire

Ahmet Coskun et ses collaborateurs prévoient de créer un atlas chimique de toutes les cellules immunitaires du corps humain, une microcarte 3D pour aider les cliniciens à comprendre le rôle complexe de l'ensemble du système immunitaire en présence de différentes maladies.

C'est le genre d'entreprise massive qui permettrait d'améliorer considérablement la précision des thérapies pour les patients. Et c'est le genre de voyage qui commence avec une seule cellule. Coskun et son équipe démarrent rapidement avec l'introduction d'une nouvelle technique intégrative de profilage des tissus humains qui permet aux chercheurs de capturer la géographie, la structure, le mouvement et la fonction des molécules dans une image 3D.

Les chercheurs ont décrit leur nouvelle approche, le cadre métabolique à résolution spatiale unique (scSpaMet), dans la revue Communications naturelles .

L'étude s'appuie sur une technique que l'équipe de Coskun a développée et décrite dans un article de 2021, « 3D Spatally wanted Metabolomic profiling Framework », publié dans Avancées scientifiques. Dans ce travail, l’équipe a introduit une technique qui mesure l’activité des métabolites et des protéines dans le cadre d’un profil complet d’échantillons de tissus humains.

“Auparavant, nous ne pouvions pas atteindre une résolution unicellulaire, mais avec cette nouvelle approche, nous le pouvons”, a déclaré Coskun, professeur de début de carrière Bernie Marcus au département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. “Avec cette nouvelle approche, nous pouvons obtenir des détails spatiaux sur les protéines et les métabolites dans des cellules individuelles. Personne d'autre n'a encore atteint ce niveau de résolution subcellulaire élevée.”

Il a ajouté : « Avec ce travail, nous ouvrons la voie à un nouveau domaine de recherche, la métabolomique spatiale unicellulaire. »

Une image moléculaire plus grande et meilleure

Les tissus humains sont spatialement remplis de toutes sortes de choses, les enquêteurs ont donc besoin d’outils capables de voir clairement dans, à travers et autour de ce trafic biologique multicouche – tout, d’un seul coup, en 3D haute définition. Avec scSpaMet, l'équipe de Coskun peut capturer des détails unicellulaires tels que les lipides, les protéines et les métabolites naturels (avec leurs multiples fonctions, notamment la conversion d'énergie et la signalisation cellulaire). Et d’autres détails, comme ceux fournis par les chercheurs : des marqueurs intracellulaires et de surface sont utilisés pour étiqueter et suivre l’activité et le comportement des cellules.

L’équipe a élargi la portée de cette étude, en étendant son enquête au-delà du tissu des amygdales humaines.

“Nous avons montré le rôle crucial des cellules immunitaires dans le cancer du poumon pour l'étude du cancer du poumon et pour l'étude de l'immunométabolisme des cellules T et des macrophages lorsqu'ils interagissent avec les tumeurs”, a déclaré Coskun.

“Ensuite, nous avons créé des changements métaboliques immunitaires dynamiques de la membrane utérine dans les amygdales à mesure qu'elles passent par des réactions du centre germinal pour donner naissance aux cellules productrices d'anticorps. Enfin, nous avons démontré le rôle des cellules immunitaires dans l'endomètre, une membrane de l'utérus qui pourrait conduire aux conditions ayant un impact sur la santé d'une femme.

L'étude à grande échelle a nécessité de nombreuses collaborations à travers le pays avec d'autres institutions, bien que le laboratoire de Coskun ait guidé l'étude à grande échelle, en intégrant son expertise en bioimagerie, en chimie, en biologie tissulaire et en intelligence artificielle.

Le Cold Spring Harbor Laboratory (New York) a donné accès à sa banque de tissus d’endomètre. Le laboratoire national d'Oak Ridge (Tennessee) a fourni des données provenant de ses instruments d'imagerie métabolique complexes pour démontrer davantage comment l'imagerie métabolomique spatiale unicellulaire peut générer des données riches.

L'Université de Californie-Davis a fourni des échantillons biologiques de reins sous forme de tissus fixés et de tissus congelés incorporés dans deux moitiés du même échantillon “afin que nous puissions démontrer l'effet de la préparation des tissus sur la sensibilité de notre pipeline de métabolomique spatiale unicellulaire”, a déclaré Coskun.

L'équipe comprenait également Thomas Hu et Mayar Allam, chercheurs diplômés du laboratoire de Coskun, qui ont guidé la recherche en tant qu'auteurs principaux, et Walter Henderson, chercheur scientifique qui gère l'installation de caractérisation des matériaux IEN/IMat de Georgia Tech.

Considérant la biochimie de la personne dans son ensemble

La capacité de générer un profil métabolique spatial unicellulaire de patients individuels peut révéler un monde de possibilités et de potentiel pour les cliniciens qui doivent pleinement comprendre la constitution biophysique d'un patient pour concevoir les meilleures options de traitement.

“Par exemple, il peut fournir des mécanismes permettant de renforcer les réponses immunitaires en ajoutant des molécules alimentaires ainsi que des immunothérapies”, a déclaré Coskun. “Cela peut également aider à ajuster la dose des traitements cellulaires, en fonction de l'indice de masse corporelle de chaque patient, qu'il soit obèse ou non.”

Coskun estime que ce nouveau domaine de recherche en métabolomique unicellulaire que son laboratoire développe viendra compléter le domaine de la génomique unicellulaire, qui a conduit à la médecine génomique. L'exploration et l'imagerie complètes de son équipe de la géographie des tissus humains normaux et malsains (de chaque cellule) peuvent expliquer davantage la régulation cellulaire d'une manière qui était auparavant négligée en raison du manque de technologie.

Il envisage un avenir dans lequel l'IMC, les habitudes alimentaires et les engagements en matière d'exercice d'un patient, ainsi que son atlas métabolomique spatial unicellulaire de la progression de la maladie, seront analysés ensemble pour trouver des thérapies optimales pouvant fonctionner avec des produits biologiques et des régimes de stimulation métabolique, potentiellement augmenter la survie aux cancers, aux maladies féminines et aux troubles métaboliques.

“Nous aurons l'occasion de parler de médecine métabolomique spatiale unicellulaire, de stratifier les patients et de concevoir des thérapies combinées de nouvelle génération avec une vue intégrée des gènes et des feuilles de route de l'activité chimique, pour une gestion plus efficace du cancer et d'autres maladies”, a déclaré Coskun.

En créant leur cadre scSpaMet, les chercheurs doivent intégrer des machines coûteuses qui vivent actuellement dans les mondes de la nanotechnologie et de la chimie. Le système nécessitera des optimisations cliniques pour pouvoir exécuter des mesures d’imagerie métabolique unicellulaire dans les établissements de soins de santé. Coskun s'attend à ce que le coût et la convivialité soient améliorés dans un avenir proche pour atteindre le chevet du patient.

“Lorsque les chercheurs ont réussi le séquençage d'une seule cellule, ce fut un moment révolutionnaire en médecine”, a déclaré Coskun. “Maintenant, nous pensons que le profilage métabolique spatial unicellulaire poussera la pratique médicale vers de nouveaux sommets.”