Mécanisme de piqûre de méduse dévoilé ; Pourrait aider à concevoir de futurs dispositifs de livraison

Jul 12, 2023

Crédit : Photo de Marat Gilyadzinov sur Unsplash

Les amateurs de plage en été ne connaissent que trop bien la douloureuse piqûre d'une méduse. Mais comment fonctionnent réellement les cellules urticantes des méduses, des coraux et des anémones de mer ? De nouvelles recherches du Stowers Institute for Medical Research ont dévoilé un modèle opérationnel précis pour l'organite piquante - ou nématocyste - de l'anémone de mer starlette, Nematostella vectensis. L'étude, dirigée par Ahmet Karabulut, chercheur prédoctoral dans le laboratoire de Matt Gibson, PhD, a impliqué l'utilisation de techniques d'imagerie microscopique de pointe, ainsi que le développement d'un modèle biophysique pour permettre une compréhension globale d'un mécanisme qui est resté insaisissable depuis plus d'un siècle.

Les chercheurs suggèrent que les connaissances issues de ces travaux pourraient contribuer à de nouveaux développements cliniques, notamment la conception de dispositifs d'administration thérapeutique microscopiques. "Comprendre ce mécanisme de piqûre complexe peut avoir de futures applications potentielles pour les humains", a déclaré Gibson. "Cela pourrait conduire au développement de nouvelles méthodes d'administration thérapeutique ou ciblée de médicaments ainsi qu'à la conception de dispositifs microscopiques." Gibson et ses collègues ont rendu compte de leur étude dans Nature Communications, dans un article intitulé "L'architecture et le mécanisme de fonctionnement d'un organite urticant cnidaire".

Les organites piquants des méduses, des anémones de mer et des organismes cnidaires apparentés sont des "armes cellulaires remarquables", qui sont utilisées à la fois pour la prédation et la défense, ont écrit les auteurs. Les nématocystes consistent en une capsule sous pression contenant un fil enroulé en forme de harpon qui délivre un cocktail de neurotoxines. "Lorsqu'elle est déclenchée, la capsule se décharge, éjectant son fil comme un harpon qui pénètre dans les cibles et s'allonge rapidement en se retournant dans un processus appelé éversion", ont expliqué les chercheurs. "Au niveau cellulaire, la décharge du nématocyste fait partie des processus mécaniques les plus rapides de la nature, connus pour être achevés en trois millisecondes dans le nématocyste d'Hydra." En fait, la phase initiale de l'explosion de la capsule sous pression et de l'éjection du fil qui s'ensuit se produit en 700 nanosecondes.

Des études antérieures suggèrent que la vitesse élevée de décharge des nématocystes est entraînée par l'accumulation de pression osmotique à l'intérieur de la capsule et que la paroi de la capsule élastiquement étirée libère de l'énergie par un puissant mécanisme de type ressort pendant la décharge. "Lors du déclenchement, mais avant la décharge, la capsule double approximativement de volume en raison de l'afflux rapide d'eau", ont déclaré les auteurs. "Cela fait gonfler la matrice de manière osmotique et étire la paroi de la capsule. Cette énergie est ensuite utilisée pour éjecter le fil à grande vitesse, qui impacte et pénètre le tissu cible."

Bien que les caractéristiques des nématocystes chez différentes espèces de cnidaires varient considérablement en ce qui concerne la taille de la capsule et la morphologie du fil, ils fonctionnent tous de la même manière et comportent un tubule éversible qui est entraîné par une éjection explosive.

Le modèle de l'équipe Stowers pour la fonction des cellules piquantes fournit de nouvelles informations cruciales sur la nature détaillée de l'architecture et du mécanisme de déclenchement extraordinairement complexes des nématocystes. Karabulut et Gibson, en collaboration avec des scientifiques des centres technologiques de l'Institut Stowers, ont utilisé des approches d'imagerie avancée, de microscopie électronique tridimensionnelle et d'inactivation de gènes pour découvrir que l'énergie cinétique nécessaire pour percer et empoisonner une cible implique à la fois la pression osmotique et l'énergie élastique stockée dans plusieurs sous-structures de nématocystes.

"Nous avons utilisé la microscopie à fluorescence, des techniques d'imagerie avancées et la microscopie électronique 3D combinées à des perturbations génétiques pour comprendre la structure et le mécanisme de fonctionnement des nématocystes", a déclaré Karabulut.

À l'aide de méthodes de pointe, les chercheurs ont caractérisé la décharge explosive et la transformation biomécanique des nématocystes de N. vectensis lors du tir, en trois phases distinctes. La première phase est la décharge initiale en forme de projectile et la pénétration ciblée du fil densément enroulé de la capsule du nématocyste. Ce processus est entraîné par un changement de pression osmotique dû à l'afflux soudain d'eau et à l'étirement élastique de la capsule.

La deuxième phase marque la décharge et l'allongement de la sous-structure de la tige du fil qui est encore propulsée par la libération d'énergie élastique à travers le processus d'éversion - le mécanisme par lequel la tige tourne à l'envers - formant une structure en triple hélice pour entourer un tubule interne fragile décoré de barbes contenant un cocktail de toxines. Dans la troisième phase, le tubule commence alors son propre processus d'éversion pour s'allonger dans les tissus mous de la cible, libérant des neurotoxines en cours de route.

Toute cette opération de piqûre est terminée en quelques millièmes de seconde seulement. "La première phase du déclenchement du nématocyste est extrêmement rapide et difficile à capturer en détail", a déclaré Karabulut. Comme cela arrive parfois dans la recherche biologique fondamentale, la découverte initiale était un accident de curiosité. Karabulut a incorporé un colorant fluorescent dans une anémone de mer pour voir à quoi elle ressemblait lorsque les tentacules riches en nématocystes ont été déclenchées. Après avoir appliqué une combinaison de solutions pour à la fois activer la décharge des nématocystes et préserver simultanément leurs sous-structures délicates dans le temps et dans l'espace, il a découvert qu'il avait capturé par hasard plusieurs nématocystes à différents stades de déclenchement.

"Sous le microscope, j'ai vu un instantané époustouflant de décharges de fils sur un tentacule. C'était comme un feu d'artifice. J'ai réalisé que les nématocystes déchargeaient partiellement leurs fils tandis que le réactif que j'utilisais simultanément et fixait instantanément les échantillons", a déclaré Karabulut. "J'ai pu capturer des images qui montraient les transformations géométriques du fil pendant le tir dans un processus magnifiquement orchestré. Après un examen plus approfondi, nous avons pu comprendre pleinement les transformations géométriques du fil du nématocyste pendant son fonctionnement."

"… cette étude démontre la capacité opérationnelle du nématocyste en tant que micromachine biologique complexe et auto-assemblée", ont conclu les auteurs. "Nous proposons que ces organites anciennes et sophistiquées représentent un modèle idéal pour les dispositifs à micro-échelle d'inspiration biologique qui pourraient être utilisés dans diverses applications allant de la technologie médicale à la science des matériaux."

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