Zoom sur le processus de minéralisation du collagène dans nos os
Le collagène est un composant vital des os. Cette longue protéine fibreuse s’organise en faisceaux et se minéralise, comme du béton armé, fournissant structure et soutien. L’organisation hiérarchique du collagène en matrice confère à l’os ses impressionnantes propriétés mécaniques. «C’est dur, mais peut se plier un peu, on ne se casse pas la jambe en heurtant une table basse», fait remarquer Nico Sommerdijk(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), professeur au département de biosciences médicales du centre médical universitaire Radboud. Matériau très hiérarchisé, le collagène est différent à chaque endroit, ce qui complique notre compréhension de son processus de construction et de sa composition. Le processus de minéralisation du collagène est une question encore plus délicate, à laquelle Nico Sommerdijk et son équipe ont cherché à répondre grâce au projet COLMIN(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). COLMIN a été financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Je voulais voir dans un système vivant comment le minéral et le collagène sont produits et comment ils interagissent ensemble», explique Nico Sommerdijk, «ce que j’appelle un “système vivant in vitro”.»
Créer un «mini-os» et un «os sur puce»
L’équipe de COLMIN a créé un morceau de tissu semblable à un os, aussi proche que possible de la réalité à l’échelle nanométrique afin de comprendre le processus de formation osseuse. Les chercheurs ont encouragé les cellules souches à se différencier en cellules semblables aux os, plus précisément comme les ostéoblastes qui sont responsables de la création des os. Ils ont développé un organoïde «mini-os», d’une longueur inférieure à 1,2 nanomètre, un tissu similaire à l’os précoce désordonné et flexible. Ils ont pu observer le tissu formant la matrice extracellulaire de collagène, avant que se produise la minéralisation. Ils ont étudié ces processus à l’aide d’un microscope à fluorescence optique. Pour ensuite analyser la structure 3D, ils ont conçu un système capable de maintenir les cellules en vie tout en les imageant, créant ainsi essentiellement un «os sur puce».
Progrès des techniques de microscopie
En microscopie électronique cryogénique, les échantillons sont congelés, ce qui rend difficile de trouver ce que l’on cherche, c’est comme si l’on regardait juste le haut d’un lac gelé, à la recherche de quelque chose qui se trouve bien plus profond, ajoute Nico Sommerdijk. L’un des membres du projet a donc conçu un porte-échantillon unique capable d’imprimer un motif dans l’échantillon avant qu’il ne soit congelé, fournissant ainsi une carte qu’ils pourraient utiliser pour explorer la structure 3D. Ils ont ensuite fait appel à la microscopie Raman pour explorer les informations chimiques contenues dans l’os. L’équipe a décidé de déminéraliser un morceau d’os humain et, en combinant les techniques d’imagerie, a pu observer sa reminéralisation. Les chercheurs ont pu visualiser différents types de minéralisation dans des échantillons osseux de patients atteints de la maladie des os fragiles, une affection rare dans laquelle le collagène est sur-modifié lors de sa production, créant une formation osseuse chaotique.
Comprendre la maladie des os fragiles
«Nous disposons désormais d’une étude de suivi très détaillée dans laquelle nous démontrons que cette sur-modification, qui ne se produit qu’à quelques endroits, a des effets importants sur la façon dont le collagène parvient à pénétrer dans cette structure très hautement organisée», explique Nico Sommerdijk. Ils ont également pu examiner comment la fétuine, une protéine qui peut transporter des minéraux vers les os, se déplace dans le corps jusqu’aux cellules. «Nous avons pu observer pour la première fois un processus biologique dans un microscope électronique à phase liquide», souligne Nico Sommerdijk. Les résultats du projet aideront à établir une référence pour l’analyse avancée de la formation osseuse et contribueront à mieux comprendre ce processus complexe.
