Parler aux cellules : des ultrasons biomoléculaires pour imager et contrôler les cellules

Abstract

L'étude des fonctions biologiques dans des organismes intacts et le développement de thérapies cellulaires ciblées nécessitent des méthodes permettant d'imager et de contrôler la fonction de cellules spécifiques à l'intérieur du corps. Les protéines fluorescentes et l'optogénétique permettent d'atteindre cet objectif sur de petits spécimens translucides, mais sont limitées par la faible pénétration de la lumière dans les tissus plus profonds. En revanche, la plupart des techniques non invasives telles que les ultrasons et l'imagerie par résonance magnétique, bien qu'elles soient basées sur des formes d'énergie qui pénètrent les tissus, ne sont pas efficacement couplées à la fonction cellulaire. Nos travaux tentent de combler cette lacune en concevant des biomolécules dotées des propriétés physiques appropriées pour interagir avec les ondes sonores et les champs magnétiques. Dans cet exposé, seront décrits les travaux récents sur les rapporteurs et les actionneurs biomoléculaires pour les ultrasons. Les rapporteurs sont basés sur des vésicules de gaz - une classe unique de nanostructures protéiques remplies d'air dérivées de microbes photosynthétiques flottants. Ces protéines diffusent les ondes sonores, ce qui permet de les détecter par ultrasons. Les progrès dans la compréhension des propriétés biophysiques et acoustiques de ces biomolécules, leur introduction génétique dans divers types de cellules intéressantes pour l'imagerie in vivo, et leur transformation en capteurs dynamiques de signaux moléculaires intracellulaires, seront abordés. Outre leurs applications en imagerie, les vésicules de gaz peuvent être utilisées pour contrôler la localisation et la fonction cellulaires en servant de récepteurs de la force de rayonnement acoustique ou en alimentant la cavitation de bulles localisées. Un contrôle supplémentaire est fourni par les bioswitches thermiques - des biomolécules qui permettent un contrôle de l'expression des gènes en réponse à de petits changements de température, à la manière d'un interrupteur.  Le pr Shapiro abordera ensuite comment ces fonctionnalités permettent le développement de thérapies cellulaires et de diagnostics contrôlés à distance.

À propos de Mikhail G. Shapiro

Mikhail Shapiro est professeur titulaire de la chaire Max Delbrück d'ingénierie chimique et d'ingénierie médicale, chercheur du HHMI (Howard Hughes Medical Institute) et directeur du Centre de médecine moléculaire et cellulaire de Caltech. Le laboratoire de Shapiro développe des technologies biomoléculaires permettant d'imager et de contrôler les cellules à l'intérieur du corps à l'aide de méthodes non invasives telles que les ultrasons. Mikhail est titulaire d'un doctorat en génie biologique du MIT et d'une licence en neurosciences de Brown. Il a mené des recherches postdoctorales à l'Université de Chicago et à l'UC Berkeley. Au cours de l'année universitaire 2024-2025, Mikhail mène des recherches à l'Institut de physique pour la médecine à Paris et à l'ESPCI en tant que chaire distinguée Fulbright-Tocqueville. Il a notamment reçu le NIH Pioneer Award, le Vilcek Prize for Creative Promise, le Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award et le Carl Hellmuth Hertz Ultrasonics Award. Mikhail a été intronisé membre de la World Molecular Imaging Society (Société mondiale d'imagerie moléculaire). Parallèlement à la recherche universitaire, Mikhail a participé, en tant que fondateur et conseiller, à la création de plusieurs entreprises de biotechnologie et d'appareils médicaux. De plus amples informations sur le laboratoire Shapiro sont disponibles en ligne à l'adresse shapirolab.caltech.edu.