Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la Northwestern University et de l’Université de Pennsylvanie a créé une nouvelle approche de biologie synthétique, un “code QR pour les cellules cancéreuses”, pour suivre les cellules tumorales dans le temps et découvrir qu’il existe des différences significatives entre la raison pour laquelle un cancer la cellule meurt ou survit. en réponse aux thérapies anticancéreuses.

Étonnamment, le sort que les cellules cancéreuses choisissent après des mois de traitement est “totalement prévisible” sur la base de différences apparemment minimes mais importantes qui apparaissent avant même le début du traitement. Les chercheurs ont également découvert que la raison n’est pas génétique, contrairement aux idées reçues dans le domaine.

Les résultats ont été publiés aujourd’huiMercredi 19 juillet dans la revue Nature.

L’étude a décrit la nouvelle plate-forme technologique de l’équipe qui a développé un “code QR” pour chacune des millions de cellules que les scientifiques pourront trouver et utiliser plus tard, un peu comme marquer des cygnes dans un étang. Le code QR dirige les chercheurs vers une composition moléculaire de l’ensemble du génome de ces cellules et fournit des informations sur la façon dont elles ont réagi au traitement du cancer.

“Il existe de nombreuses façons dont les cellules deviennent différentes les unes des autres”, a-t-il déclaré. Yogesh Goyal, auteur principal et co-auteur principal de l’article. « Notre laboratoire demande, comment les cellules individuelles prennent-elles des décisions ? Comprendre cela dans le contexte du cancer est encore plus excitant car il existe une dichotomie cliniquement pertinente : une cellule meurt ou devient résistante face aux thérapies. »

Goyal est professeur adjoint de biologie cellulaire et du développement à la Northwestern University Feinberg School of Medicine et a des rendez-vous de courtoisie avec le génie chimique et biologique et le génie biomédical à la McCormick School of Engineering. Il est membre du Northwestern’s Center for Synthetic Biology et du Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center de la Northwestern University. Goyal partage le titre d’auteur principal avec Arjun Raj, généticien à l’Université de Pennsylvanie.

Dans l’étude, le laboratoire et ses collaborateurs ont cherché à appliquer des outils de biologie synthétique pour répondre à une question clé dans la recherche sur le cancer : qu’est-ce qui fait que certaines tumeurs réapparaissent quelques mois ou années après la thérapie ? En d’autres termes, le laboratoire pourrait-il comprendre ce qui pousse certaines cellules rares à développer une résistance thérapeutique à un médicament ?

Certains scientifiques dans le domaine pensent que les différences génétiques dans l’ADN des cellules rares sont à l’origine de la résistance aux médicaments. Co-auteur Nico Bodkin, MD/Ph.D. candidat et scientifique quantitatif dans le laboratoire de Goyal, n’était pas d’accord. “Je voulais montrer qu’il n’y a pas de mutation génétique à l’origine de cette résistance, car les populations de cellules que nous avons examinées devaient être génétiquement indiscernables.”

Pour étudier cette hypothèse, l’équipe a placé les cellules clonées avant et après dans un pipeline de séquençage du génome entier pour comparer les populations et n’a trouvé aucune mutation génétique sous-jacente systématique.

“Si vous avez une image qui contient beaucoup d’informations, parfois si vous plissez les yeux, vous pouvez la voir un peu mieux”, a déclaré la co-auteur Emanuelle Grody, Ph.D. candidat et chercheur sur cellule unique dans le laboratoire de Goyal qui a soutenu les analyses statistiques. « Comme nos jeux de données sont si complexes, je les ai transformés pour les rendre plus simples et plus interprétables en utilisant des concepts empruntés à la physique statistique. C’est alors que nous avons commencé à voir des modèles clairs. Vous devez trouver le juste milieu entre être capable de voir des modèles et cacher trop d’informations.

En utilisant l’équipe interdisciplinaire, ainsi que sa propre expérience d’ingénieur avec une solide formation en mathématiques, Goyal a aidé à développer le cadre du “code QR”, FateMap, qui pourrait identifier chaque cellule qui semblait développer une résistance à la pharmacothérapie. Le “destin” fait référence à la mort ou à la survie d’une cellule (et si oui, comment), et les scientifiques “cartographient” les cellules tout au long de leur vie, avant et après le traitement du cancer. FateMap est le résultat du travail de diverses institutions de recherche et applique une fusion de concepts couvrant plusieurs disciplines, notamment la biologie synthétique, l’ingénierie du génome, la bioinformatique, l’apprentissage automatique et la thermodynamique.

“Certaines sont différentes par hasard, tout comme toutes les feuilles d’un arbre ne se ressemblent pas, mais nous voulions déterminer si cela importait”, a déclaré Goyal. “Le domaine de la biologie cellulaire a du mal à définir si les différences ont un sens.”

En collectant des données avant et après le traitement, les scientifiques ont découvert que ce que font les cellules est complètement déterminé avant l’exposition au médicament. Par conséquent, trouver des différences dans les cellules avant d’ajouter un médicament pourrait conduire au développement de nouvelles thérapies qui ciblent le moteur des différences plutôt que leur résultat.

Goyal a déclaré que sa prochaine série de questions est de savoir si le comportement cellulaire peut être prédit à travers plusieurs thérapies cellulaires et différents types de cancer. Les mêmes cellules deviennent-elles résistantes au traitement dans d’autres modèles, ou un ensemble différent de cellules est-il affecté ?

“Ce n’est que le début”, a déclaré Goyal. « J’espère que les avancées conceptuelles et technologiques de nos travaux sont facilement généralisables à des problèmes biologiques disparates, du cancer au développement embryonnaire en passant par la médecine régénérative. Notre travail met l’accent sur la nécessité d’utiliser des approches qui traversent de manière transparente les frontières disciplinaires pour développer des traitements durables contre le cancer et au-delà.”

L’étude, “Diverse Clonal Fates Emerge After Drug Treatment of Homogeneous Cancer Cells”, a été financée par les National Institutes of Health, la National Science Foundation, le Burroughs Welcoming Fund, la Cancer Research Foundation, le Jane Coffin Childs, le Schmidt Science Fellowship Fund, et la Fondation de recherche médicale Miriam et Sheldon G. Adelson.