Optogénétique : la lumière pour contrôler l’activité musculaire

Dans le but de comprendre les défauts de stimulation des muscles dans certaines maladies, des chercheurs du Laboratoire STIM ont montré qu’il était possible de contrôler l’activité des cellules musculaires avec de la lumière.

Montage expérimental d’électrophysiologie cellulaire permettant d’enregistrer un courant en réponse à une stimulation lumineuse par fibre optique

Montage expérimental d’électrophysiologie cellulaire permettant d’enregistrer un courant en réponse à une stimulation lumineuse par fibre optique

De façon naturelle, les muscles squelettiques sont activés par des neurones moteurs, ce qui permet la contraction de ces muscles. Dans ces travaux, les auteurs montrent que, par optogénétique, les cellules musculaires peuvent être activées par une stimulation lumineuse qui va mimer la stimulation nerveuse, mais sans nerfs.

Ces travaux sont parus dans la revue Scientific Reports du groupe Nature


Depuis quelques années, l’équipe TIRC du laboratoire STIM de l’Université de Poitiers développe la technique d’optogénétique permettant d’interroger et de contrôler l’activité cellulaire à distance grâce à des impulsions lumineuses. C’est un des rares laboratoires au monde et actuellement le seul en France à transposer cette technique issue des neurosciences à la recherche cardiaque et musculaire.

La lumière représente un facteur environnemental majeur pour le développement, le métabolisme et la survie de nombreuses espèces animales et végétales. Outre les mécanismes liés à la photosynthèse retrouvés chez les plantes, les photons peuvent notamment être captés par de nombreux microorganismes via des photorécepteurs spécialisés, les rhodopsines. De la même façon que les cellules photovoltaïques des panneaux solaires, ces protéines permettent de convertir l’énergie lumineuse reçue en une activité électrique. En effet, ces rhodopsines forment des pores membranaires dont l’ouverture, à des longueurs d’onde de lumière spécifiques, va conduire à des mouvements d’ions responsables de l’activité électrique cellulaire.

C’est suite au clonage des premiers canaux rhodopsine à partir de l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii que des chercheurs ont eu l’idée d’utiliser ces protéines pour contrôler l’activité électrique de neurones par des stimulations lumineuses. Ceci a ouvert de très nombreuses perspectives expérimentales qui ont valu à cette technique le prix de la méthode de l’année 2010 attribué par la revue Nature Methods. Depuis, l’optogénétique a connu un essor considérable en neurosciences. L’utilisation de la lumière comme outils de contrôle à distance des cellules permet alors d’obtenir une résolution spatiale et temporelle jusqu’à lors inégalée par les méthodes d’investigations traditionnelles.

Alors que l’optogénétique est en pleine expansion dans le domaine des neurosciences, elle reste encore très mal connue dans les autres disciplines de la biologie. Pour autant, les nombreux avantages expérimentaux de cette technique novatrice sont également applicables à d’autres champs d’investigations tels que la physiologie musculaire ou cardiaque. En effet, ce sont des domaines intégrant différents types cellulaires caractérisés par une activité électrique spécialisée au sein de tissus plus complexes. 

Le laboratoire STIM (Signalisation et Transports Ioniques Membranaires) de l’Université de Poitiers est spécialisé dans l’étude des canaux ioniques. Dans ce contexte, l’équipe TIRC (Transfert Ionique et Rythmicité Cardiaque) développe l’optogénétique musculaire et cardiaque. Ces approches, utilisées pour la première fois en France, permettent notamment de prendre le contrôle des contractions des cellules excitables avec des flashs de lumière bleue (470 nm) après avoir fait s’exprimer la protéine canal rhodopsine ChR2. La lumière peut alors être acheminée sur les préparations à l’aide de fibres optiques. Couplées à d’autres techniques d’investigation plus conventionnelles comme de l’imagerie par microscopie confocale ou encore des enregistrements électrophysiologiques, ces études apportent des informations précieuses et extrêmement encourageantes pour l’avancée des connaissances en physiologie et physiopathologie cardiaque et musculaire.

Dans ces travaux, les auteurs ont développé une technique pour étudier la réponse des cellules musculaires suite à des photostimulations sur une zone de la taille de la jonction neuromusculaire. Ces stimulations génèrent une augmentation de calcium intracellulaire dans l’ensemble de la cellule, à l’origine de la contraction des muscles, mimant de façon parfaite une stimulation nerveuse. Ces travaux ont un intérêt pour l'étude du mécanisme du couplage excitation-contraction dans les muscles et également dans les maladies où les muscles sont atrophiés et où la jonction nerf muscle disparait.
Les avancées technologiques, couplées à la puissance de l’optogénétique, permettent de plus en plus facilement de contrôler de façon ciblée, et sans contact physique, un type cellulaire particulier dans un organisme vivant. Ceci ouvre de nouvelles voies d’investigation uniques pour répondre aux problèmes contemporains de la recherche fondamentale en biologie. Outre la réflexion éthique que cela peut engendrer, la question d’un éventuel transfert de cette technologie à des fins thérapeutiques peut également se poser dans l’avenir.

Ces travaux font partie d’un projet financé par l’AFM-téléthon

Référence :
Stéphane Sebille, Oualid Ayad, Charles-Albert Chapotte-Baldacci, Christian Cognard, Patrick Bois & Aurélien Chatelier
Optogenetic approach for targeted activation of global calcium transients in differentiated C2C12 myotubes.
Scientific Reports Sci Rep. 2017 Sep 11;7(1):11108. doi: 10.1038/s41598-017-11551-z.

Publié par webmaster

Dernière mise à jour le 4 décembre 2017


Recherche d'une actualité


Université de Poitiers - 15, rue de l'Hôtel Dieu - TSA 71117 - 86073 POITIERS Cedex 9 - France - Tél : (33) (0)5 49 45 30 00 - Fax : (33) (0)5 49 45 30 50 - webmaster@univ-poitiers.fr