Une astuce protéique des tardigrades pourrait aider le sang à résister à la congélation

Les tardigrades comme modèle de survie au gel

Les tardigrades, ces créatures microscopiques souvent appelées oursons d'eau, ont une réputation de résilience hors norme. Ils peuvent être congelés en bloc, desséchés jusqu'à ce que presque toute leur eau disparaisse, et exposés au vide spatial, puis revivre dès que les conditions s'améliorent. Des chercheurs ont même appliqué de minuscules tatouages sur ces animaux, qui n'ont pas semblé perturbés par la procédure. Cette robustesse a fait des tardigrades une sorte de catalogue biologique de stratégies de survie, et les scientifiques puisent désormais dans ce catalogue pour trouver des moyens de protéger les cellules humaines.

L'une des cibles les plus pratiques est la cryopréservation des globules rouges, la technique qui permet aux banques de sang de congeler et de conserver des groupes sanguins rares pendant de longues périodes jusqu'à ce qu'un patient en ait besoin. La méthode fonctionne, mais elle présente un inconvénient tenace qui façonne le domaine depuis des décennies.

Le problème du glycérol

Avant d'être congelées, les cellules sanguines sont généralement traitées au glycérol. Ce composé agit comme un cryoprotecteur, perturbant la croissance des cristaux de glace qui, autrement, perceraient et détruiraient les membranes cellulaires. Sans une telle protection, la congélation est mortelle.

La complication survient plus tard. Le glycérol ne peut pas être simplement transfusé à un patient, il doit donc être retiré des cellules après leur décongélation. Cette étape de retrait est elle-même nocive, stressant les cellules mêmes que la congélation était censée protéger, et elle ajoute de la manipulation, du temps et des coûts à une procédure qui exige déjà de la précision.

Ce que les banques de sang préféreraient, c'est une stratégie de protection qui maintienne les cellules intactes pendant la congélation puis s'élimine proprement, sans étape de lavage éprouvante. C'est là que le tardigrade entre en scène.

Comment les protéines CAHS agissent avec le sucre

Les tardigrades résistent à des conditions extrêmes grâce à une classe de molécules connues sous le nom de protéines CAHS, abréviation de protéines cytosoliques abondantes thermosolubles. Ces protéines sont remarquables non seulement parce qu'elles existent chez un animal qui peut supporter la congélation et la déshydratation, mais aussi par leur comportement aux côtés du tréhalose, un sucre qui stabilise les membranes cellulaires et les protéines. Le tréhalose est également un ingrédient familier en dehors du laboratoire : il est souvent utilisé pour limiter la brûlure de congélation dans les aliments surgelés.

C'est ce partenariat entre une protéine de tardigrade et un sucre stabilisant les membranes qui a attiré l'attention des chercheurs. Plutôt que de considérer cette combinaison comme une curiosité, ils ont demandé si elle pouvait surpasser le cryoprotecteur standard utilisé en banque de sang.

Tester un fragment, pas la protéine entière

Hui Yang, Leming Sun et leurs collègues voulaient savoir si la combinaison des protéines CAHS avec le tréhalose pouvait protéger les globules rouges plus efficacement que le glycérol utilisé seul. Leurs résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces, éditée par l'American Chemical Society (DOI : 10.1021/acsami.6c12445).

L'équipe n'a pas utilisé la protéine CAHS entière. Elle a plutôt déterminé qu'une section spécifique de celle-ci produisait l'effet protecteur recherché, une simplification qui pourrait avoir une importance considérable si l'approche était un jour mise à l'échelle pour un usage courant.

Lorsque ce fragment a été associé au tréhalose à basse température et que l'échantillon a ensuite été congelé dans de l'azote liquide, les deux ingrédients ont modifié la façon dont la glace se formait puis fondait. Ce comportement modifié de la glace a protégé les cellules des dommages. Après décongélation, la combinaison CAHS-tréhalose pouvait être éliminée par centrifugation, une technique de laboratoire standard, plutôt que par le processus plus éprouvant d'élimination du glycérol.

Les chiffres de récupération

La comparaison des performances était encourageante. Jusqu'à 89 % des globules rouges de souris préservés avec la nouvelle méthode CAHS-tréhalose ont récupéré complètement, contre environ 82 % des cellules congelées avec du glycérol.

Sun, auteur correspondant de l'étude, a décrit cet effort comme une traduction précoce de la biologie en méthode pratique. « Cette étude a été notre première tentative de traduire une leçon d'un organisme extraordinairement résilient en une stratégie pratique de préservation cellulaire », a déclaré Sun. « Si elle est développée davantage, elle pourrait simplifier le processus après la décongélation, réduire les préoccupations liées au glycérol résiduel et aider à préserver la qualité des cellules stockées. »

Lire les résultats avec prudence

Plusieurs réserves s'imposent ici. L'expérience a utilisé des globules rouges de souris, et non des cellules humaines, et elle représente une première tentative plutôt qu'un protocole abouti. L'amélioration par rapport au glycérol, bien que réelle dans ce contexte, est une différence de plusieurs points de pourcentage plutôt qu'un bond spectaculaire. Tout usage éventuel en médecine transfusionnelle nécessiterait un développement et une validation substantiels supplémentaires avant de pouvoir atteindre un réfrigérateur de banque de sang.

Ce que l'étude démontre, c'est une preuve de concept : une protéine empruntée à l'un des animaux les plus robustes de la planète, combinée à un sucre largement utilisé, peut influencer le comportement de la glace autour des cellules et améliorer leur survie à un cycle de congélation-décongélation. Elle indique aussi une voie vers un flux de travail de cryopréservation dans lequel l'agent protecteur est plus facile à éliminer, ce qui pourrait réduire le tribut que la décongélation et le nettoyage imposent actuellement aux cellules stockées.

Points clés de la recherche

• Les tardigrades endurent la congélation, la déshydratation extrême et le vide spatial, et ont même toléré qu'on leur pose de minuscules tatouages.
• Le stockage conventionnel des globules rouges repose sur le glycérol, qui doit être éliminé avant la transfusion et peut endommager les cellules lors de son retrait.
• Les chercheurs ont combiné le tréhalose, un sucre stabilisant les membranes, avec une section de la protéine CAHS de tardigrade plutôt qu'avec la protéine entière.
• Congelé dans de l'azote liquide, le mélange a modifié la formation et la fonte de la glace d'une manière qui a protégé les cellules.
• Jusqu'à 89 % des globules rouges de souris préservés de cette façon ont récupéré complètement, contre environ 82 % avec le glycérol.

Pourquoi cela compte au-delà de la paillasse

Les groupes sanguins rares représentent un défi logistique pour tout système de santé. Ils sont rares par définition, ils ne peuvent pas être créés à la demande, et ils doivent rester utilisables pendant de longues périodes afin d'être disponibles lorsqu'un patient spécifique en a besoin. Une méthode de préservation qui garde plus de cellules intactes pendant le cycle de congélation-décongélation, et qui est plus facile à éliminer ensuite, donnerait aux banques de sang plus de marge de manœuvre.

La recherche illustre aussi une idée plus large qui s'installe dans les biotechnologies : les organismes qui tolèrent les extrêmes sont une source de solutions chimiques et matérielles à des problèmes de médecine. Les astuces de survie du tardigrade ont évolué pour des environnements qui tueraient la plupart des formes de vie, et adapter ne serait-ce qu'une petite partie de cette boîte à outils, un fragment de protéine plus un sucre, pourrait à terme changer la façon dont les cellules sont stockées, expédiées et récupérées.

Le tréhalose lui-même est un bon exemple de la façon dont des ingrédients peu glamour peuvent faire un travail sérieux. Le même sucre qui empêche les aliments surgelés de développer une brûlure de congélation est testé comme stabilisant pour des cellules vivantes, et le fragment CAHS semble le rendre plus efficace dans ce rôle. Le mécanisme n'a rien de magique, c'est de la chimie : en intervenant sur la nucléation et la fonte de la glace, le mélange réduit le châtiment physique infligé aux membranes fragiles.

Pour l'instant, le travail reste une première étape, et l'écart entre une expérience sur des cellules de souris et une transfusion hospitalière est large. Mais il suggère que la distance entre un animal capable de survivre au vide spatial et un congélateur de banque de sang pourrait être plus étroite qu'il n'y paraît à première vue.

Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.