L'imagerie optique avancée révèle une activité métabolique cachée dans les cellules immunitaires du sang

Une nouvelle couche d'information dans les échantillons sanguins de routine

Chaque échantillon sanguin de routine contient une population diversifiée de cellules immunitaires, appelées collectivement cellules mononucléées du sang périphérique (PBMCs). Ces cellules sont un pilier des workflows cliniques et de recherche, offrant une fenêtre sur les infections, les maladies auto-immunes, le cancer et la manière dont le système immunitaire d'un patient répond à un traitement. Mais les méthodes conventionnelles d'analyse des PBMCs, qui reposent sur des marqueurs fluorescents se liant à des marqueurs de surface, ne révèlent que les types de cellules présents, pas la façon dont ces cellules fonctionnent réellement. De plus, le processus de préparation peut modifier les cellules elles-mêmes, ce qui peut biaiser les résultats.

Or, une nouvelle étude publiée dans Biophotonics Discovery montre comment l'imagerie optique avancée peut mettre en évidence une dimension jusque-là cachée: l'activité métabolique de cellules immunitaires individuelles au sein d'un échantillon complexe et hétérogène. Cette approche sans marquage, développée par des chercheurs du Morgridge Institute for Research et de l'université du Wisconsin-Madison, pourrait transformer la manière dont cliniciens et scientifiques interprètent la richesse d'informations contenue dans une simple prise de sang.

Pourquoi les PBMCs sont importantes

Les PBMCs peuvent être isolées très facilement à partir d'échantillons cliniques et sont déjà intégrées aux workflows diagnostiques et thérapeutiques, a souligné Melissa Skala, auteure principale de l'étude et chercheuse au Morgridge Institute et à l'université du Wisconsin-Madison. « Les PBMCs peuvent être isolées cliniquement très facilement, et elles sont déjà utilisées dans le workflow clinique », a déclaré Skala. « La question est donc: qu'est-ce qu'on peut en tirer que nous n'obtenons pas déjà? »

Cette question prend une importance clinique croissante. Les PBMCs sont étudiées de manière routinière dans des pathologies aussi diverses que les cancers du sang, le sepsis, le lupus et même le déclin cognitif. Elles servent aussi de matériau de départ pour les thérapies par cellules CAR T, dans lesquelles les propres cellules immunitaires d'un patient sont modifiées pour reconnaître et attaquer le cancer. Dans de telles applications, comprendre non seulement combien de cellules immunitaires sont présentes, mais aussi à quel point elles sont métaboliquement actives et aptes, pourrait apporter des informations plus profondes sur la progression de la maladie et les résultats thérapeutiques.

Par exemple, un patient atteint de sepsis peut avoir un nombre de cellules immunitaires apparemment normal, alors que des cellules individuelles pourraient être métaboliquement épuisées ou hyperactives. De même, dans la fabrication des cellules CAR T, l'état métabolique des cellules prélevées est susceptible d'influencer la qualité et la puissance du produit thérapeutique final. Pourtant, jusqu'à présent, les méthodes d'analyse de routine ont largement négligé cette dimension fonctionnelle.

Les limites des techniques de marquage conventionnelles

Traditionnellement, mesurer le métabolisme des cellules immunitaires nécessitait soit d'isoler des populations cellulaires spécifiques, soit d'ajouter des marqueurs fluorescents et des sondes chimiques. Ces stratégies présentent des inconvénients importants. L'isolement des cellules perturbe l'interaction naturelle entre les différents types de cellules immunitaires, ce qui peut être fonctionnellement important. Les colorants fluorescents et les sondes chimiques peuvent perturber le comportement cellulaire, consommer l'échantillon ou ne fournir qu'un instantané statique plutôt qu'une vision en temps réel de l'activité cellulaire.

En outre, ces méthodes peuvent détruire ou modifier de façon permanente les cellules, ce qui rend difficile, voire impossible, leur utilisation ultérieure dans des applications comme la thérapie cellulaire. Elles ont aussi tendance à traiter l'échantillon comme un tout, en moyennant des différences entre cellules individuelles qui peuvent être biologiquement significatives. Une tumeur, par exemple, peut contenir des cellules immunitaires dans des états métaboliques très différents, et une mesure globale masquerait cette hétérogénéité.

La nouvelle étude contourne complètement ces problèmes. Elle utilise une technique non destructive qui mesure le métabolisme dans des cellules immunitaires individuelles alors qu'elles restent intégrées à la population mixte de PBMCs, préservant l'environnement tissulaire naturel et permettant des analyses complémentaires après l'imagerie.

L'imagerie métabolique optique: une approche sans marquage

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée imagerie métabolique optique (OMI), développée et affinée dans le laboratoire Skala. L'OMI exploite la fluorescence naturelle de coenzymes métaboliques clés, en particulier le NADH et le FAD, qui participent à la production d'énergie cellulaire. Lorsque les cellules immunitaires sont métaboliquement actives, les concentrations et les rapports de ces coenzymes changent, et leur fluorescence naturelle change en conséquence.

En excitant ces molécules avec une lumière de faible intensité et en captant les signaux émis, l'OMI peut cartographier l'activité métabolique à l'échelle d'une cellule unique, sans ajouter de marqueurs externes ni d'agents de contraste. Cela permet aux chercheurs d'observer des cellules vivantes dans des conditions proches du physiologique et de suivre les changements au fil du temps.

Dans l'étude, les chercheurs ont montré que l'OMI peut distinguer les différences métaboliques entre sous-ensembles de cellules immunitaires au sein d'échantillons de PBMCs non modifiés. Ce niveau de détail a été difficile à atteindre avec des techniques antérieures. La méthode distingue les cellules qui utilisent principalement la glycolyse, une voie énergétique rapide mais moins efficace, courante chez les cellules immunitaires activées, de celles qui s'appuient sur la phosphorylation oxydative, un mode de production d'énergie plus durable. Ces distinctions fonctionnelles sont cruciales, car elles sont corrélées avec le fait qu'une cellule immunitaire soit quiescente, activée, épuisée ou en transition vers un état effecteur particulier.

Comme l'OMI ne nécessite ni marquage ni perturbation physique, elle ouvre aussi la voie à des études longitudinales. Le même échantillon peut être imagé à plusieurs reprises à différents moments, permettant de suivre en temps réel la réponse des cellules immunitaires à des médicaments, des agents pathogènes ou d'autres stimuli. Il s'agit d'une avancée notable par rapport aux tests de fin d'expérience qui ne capturent qu'un seul instant.

Implications cliniques et thérapeutiques

Ces résultats sont prometteurs dans de nombreux domaines cliniques. En immunologie du cancer, par exemple, on sait que l'aptitude métabolique des cellules immunitaires infiltrant la tumeur influence la réponse d'un patient aux inhibiteurs de points de contrôle. Si des signatures métaboliques similaires pouvaient être détectées dans des PBMCs issues d'une simple prise de sang, les oncologues disposeraient peut-être d'un moyen non invasif de surveiller la fonction immunitaire pendant le traitement.

Dans la thérapie par cellules CAR T, le processus de prélèvement, d'ingénierie et d'expansion des lymphocytes T d'un patient est coûteux et laborieux. Certains produits CAR T n'implantent pas correctement ou perdent en efficacité après perfusion, ce qui pourrait être lié au mauvais état métabolique des cellules d'origine. Utiliser l'OMI pour sélectionner les cellules les plus robustes sur le plan métabolique avant leur ingénierie pourrait améliorer les résultats.

Les maladies auto-immunes comme le lupus impliquent elles aussi une dérégulation immunitaire complexe, et les PBMCs sont souvent examinées pour évaluer l'activité de la maladie. Un biomarqueur métabolique dérivé de l'OMI pourrait compléter les marqueurs sérologiques actuels afin d'offrir une vision plus complète de l'état de la maladie et d'orienter les ajustements thérapeutiques.

Dans le contexte des maladies infectieuses, le sepsis reste un défi clinique majeur. Les cellules immunitaires des patients septiques présentent souvent un basculement vers un état anti-inflammatoire et métaboliquement supprimé, mais cela a été difficile à mesurer. L'OMI pourrait permettre aux cliniciens d'évaluer avec précision l'état fonctionnel des cellules immunitaires au chevet du patient, en différenciant potentiellement l'inflammation systémique de la paralysie immunitaire chez des patients individuels.

Préparer la voie à la translation clinique

Le laboratoire Skala développe l'OMI depuis plus d'une décennie et l'a déjà appliquée à des biopsies tissulaires, des modèles tumoraux et des organoïdes. Ce dernier travail étend l'approche aux échantillons sanguins de PBMCs, beaucoup plus faciles à obtenir en milieu clinique que les prélèvements tissulaires.

Le fait que les PBMCs soient déjà isolées dans le cadre des workflows cliniques courants constitue un atout majeur. « Les PBMCs peuvent être isolées cliniquement très facilement, et elles sont déjà utilisées dans le workflow clinique », a réitéré Skala, en soulignant la faible barrière à l'adoption. Les instruments d'OMI, bien que toujours spécialisés, sont de plus en plus disponibles dans les laboratoires de recherche et cliniques, et la nature non destructive de la technique signifie qu'elle pourrait être intégrée en amont des analyses existantes, voire des chaînes de traitement cellulaire.

Il reste toutefois plusieurs étapes avant que l'OMI ne devienne un outil diagnostique standard. De plus vastes études cliniques sont nécessaires pour valider les signatures métaboliques par rapport aux issues de maladie établies et pour définir ce qui constitue un profil métabolique « sain » ou « dérégulé » dans des situations spécifiques. Les instruments doivent également devenir plus conviviaux et plus rentables pour les laboratoires cliniques. La simplicité technique de l'imagerie sans marquage est toutefois un signe encourageant.

La découverte que les PBMCs de routine contiennent des informations métaboliques cachées, accessibles par imagerie optique sans marquage, représente une nouvelle frontière du suivi immunitaire. Les chercheurs poursuivent désormais d'autres études pour répertorier les états métaboliques dans diverses maladies et corréler ces états avec les réponses des patients aux traitements. À l'avenir, un simple échantillon de sang pourrait offrir bien plus qu'un simple comptage cellulaire: il pourrait éclairer l'état fonctionnel de chaque cellule immunitaire qu'il contient, guidant des traitements personnalisés d'une manière qui semble aujourd'hui presque futuriste.

Cet article s'appuie sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.