La sénescence cellulaire est un état d’arrêt permanent du cycle cellulaire dû à des stress génotoxiques et il a été démontré qu’elle est impliquée dans le vieillissement et la tumorigénèse de l’organisme. Par conséquent, la sénescence cellulaire est un biomarqueur important pour le vieillissement ainsi que les stress génotoxiques comme les rayonnements ionisants. Cependant, le petit nombre de cellules sénescentes dans les biofluides comme le sang entier limite leur détection rapide et sensible. Une méthode d’isolement efficace est très recherchée pour les diagnostics au point de service basés sur les cellules sénescentes, comme la biodosimétrie des rayonnements. De plus, des études animales récentes ont démontré le potentiel du ciblage thérapeutique des cellules sénescentes pour lutter contre le vieillissement et les maladies liées à l’âge. Étant donné que les voies ascendantes ou descendantes des cellules sénescentes, telles que celles qui impliquent les cellules p16, p21 et p53, fonctionnent également à divers degrés dans leurs équivalents saines dans les tissus et les organes, les méthodes conventionnelles qui ciblent ces voies à l’aide de petites molécules et de médicaments protéiques pourraient entraîner des effets secondaires chez les humains. Alternativement, les moyens physiques en tirant profit de l’augmentation de la taille des cellules pendant la sénescence cellulaire fournissent une nouvelle approche attrayante pour enlever sélectivement les cellules sénescentes de leurs homologues non-sensibles et d’autres cellules de fond.
Différentes techniques microfluidiques ont été mises au point pour la séparation cellulaire en fonction de leurs propriétés physiques. Parmi ces techniques, la filtration est l’approche la plus prometteuse pour traiter le sang entier non dilué en vue de la séparation des cellules rares et de sa mise à l’échelle pour obtenir un débit élevé. Cependant, plusieurs défis doivent être surmontés avant que cette technique puisse être largement utilisée. Dans le cas d’une filtration en flux sans fin dont le sens d’écoulement est perpendiculaire à la surface du filtre, un problème courant est le colmatage et la saturation du filtre, ce qui entraîne une faible efficacité de séparation, la pureté de l’échantillon et la robustesse du dispositif. Dans certaines études, on a adopté un écoulement inversé périodique ou une oscillation fluidique pour remédier au colmatage. Afin d’éviter les dommages aux cellules et les problèmes de colmatage, la filtration en microfluidique a été développée avec une direction d’écoulement parallèle à la surface du filtre. Par conséquent, une force de cisaillement a été générée pour amener les plus grosses particules vers l’aval au lieu de pénétrer dans les pores de filtration. Cependant, afin d’assurer une séparation efficace des cellules dans une configuration à flux parallèle, la filtration cross-flow a généralement un canal beaucoup plus long avec un débit généralement inférieur à 1 ml/h. Malgré le faible débit inhérent aux dispositifs microfluidiques, un débit plus élevé (p. ex., plus de 1 ml/min) est hautement souhaitable pour traiter un grand volume d’échantillons de sang total. Le débit élevé est particulièrement difficile pour un flux continu en raison des difficultés d’intégration du système et de contrôle fluidique pour le multiplexage sur puce microfluidique.

Pour surmonter les problèmes de colmatage et de dommages cellulaires tout en obtenant un débit et un taux de récupération élevés, nous avons développé un microdispositif (puce de sénescence) pour le tamisage tridimensionnel en prenant avantage à la fois des filtrations en flux nul et en flux transversal. Un réseau de micropiliers incliné a été fabriqué avec un angle d’inclinaison par rapport à l’écoulement du fluide (entre 0° et 90°). Par conséquent, les particules pourraient non seulement être tamisées efficacement, mais aussi subir une force de cisaillement fluidique pour réduire le colmatage et préserver l’intégrité des cellules. De plus, les micropiliers fonctionnaient en porte-à-faux, qui n’avaient qu’une seule extrémité fixée. Leur flexibilité permettait une petite déformation lors de l’expérience d’une pression fluidique, créant des centaines de volets dans le sens vertical en fonction du débit. Ces volets ont aidé à relâcher la contre-pression, à réduire le colmatage et à améliorer considérablement le débit de séparation.

Nous avons utilisé notre puce de sénescence pour isoler et analyser les cellules sénescentes dans le sang entier non dilué et la moelle osseuse de souris. Nous avons choisi les cellules souches mésenchymateuses (MSC) parce que nous avons déjà caractérisé leur progression de sénescence induite par les rayonnements ionisants. Dans cette étude, nous avons utilisé des CSM humains sénescents induits par les rayons H2O2 et X et dopés dans le sang total, comme système biologique modèle, pour démontrer la séparation rapide et l’analyse des cellules sénescentes à l’aide de notre puce de sénescence. L’appareil optimisé a ensuite été utilisé pour une étude animale visant à isoler des cellules sénescentes de la moelle osseuse de souris soumises à une irradiation corporelle totale (TBI) de rayons X. Pour réaliser l’élimination ultra-haute-débit de cellules sénescentes pour la purification du sang, nous avons agrandi les dimensions de la puce et empilé plusieurs puces pour construire un système multiplexé. Nous avons démontré que notre puce sénescente à grande échelle pouvait réaliser un traitement parallèle avec un débit allant jusqu’ à 300 ml/h.

Le thymus, organe du système lymphatique, joue un rôle critique dans la fonction immunitaire, produisant les lymphocytes T essentiels à la réponse immunitaire. Le thymus, qui rétrécit avec l’âge, est très sensible aux dommages causés par le stress et l’infection. Et alors qu’il peut se remettre de telles attaques – le processus est connu sous le nom de régénération thymique endogène – des blessures plus graves, par exemple, de la chimiothérapie ou des radiothérapies, peut prolonger considérablement le temps de récupération. Cela peut entraîner une susceptibilité accrue aux infections et même à la rechute du cancer chez les patients alors que leur taux de lymphocytes T est faible. « Nous ne comprenons pas vraiment pourquoi le thymus rétrécit avec l’âge, ou comment le rendre plus gros chez les patients où il serait probablement utile d’avoir des lymphocytes T. »

On sait depuis près d’un siècle que le thymus peut se régénérer, mais les mécanismes qui contrôlent ce processus n’ont pas été largement étudiés. Les chercheurs ont donc effectué une analyse transcriptomique d’une section du thymus de la souris à la suite d’une lésion par irradiation corporelle totale (TBI). Ils ont trouvé une série de gènes qui ont été considérablement régulés, y compris plusieurs déjà connus pour être impliqués dans la fonction thymique, ainsi que Bmp4. « Nous sommes vraiment intéressés à comprendre ces processus de régénération endogène pour pouvoir les exploiter en stratégies cliniquement pertinentes et innovantes pour stimuler la fonction thymique. »

Les chercheurs ont traité des souris avec un inhibiteur de BMP, la veille du TBI, afin de déterminer si la signalisation BMP est nécessaire pour la régénération endogène. Les souris traitées ont montré un rétablissement significativement moins bon que les témoins, ce qui indique l’importance de la MPG dans le processus. Dans le cadre d’une expérience connexe, les chercheurs ont ensuite injecté des cellules endothéliales dans le sang de souris 72 heures après l’IRT et ont constaté que, ce faisant, le nombre de cellules thymiques augmentait par rapport aux témoins. Lorsqu’ils injectaient les cellules directement dans le thymus, il fallait 100 fois moins de cellules endothéliales pour obtenir la même capacité de régénération endogène que lorsqu’ils les injectaient par voie intraveineuse. Cela suggère que certaines cellules endothéliales de la circulation sanguine parviennent à atteindre le thymus, ont-ils écrit dans leur rapport.

Les thérapies basées sur la recherche seraient plus susceptibles d’utiliser du BMP4 isolé qu’une lignée cellulaire endothéliale. Une autre direction intéressante à l’avenir serait de savoir si cette même voie pourrait être utilisée dans le thymus vieillissant. Dans ce scénario, ou en cas de dommages associés à des maladies chroniques, le fait d’augmenter l’activité du BMP4 pourrait également stimuler la régénération thymique.

La technologie est intimement liée au progrès épistémique: la technologie est l’application pratique des connaissances et des compétences acquises par l’investigation rationnelle, et à son tour, la technologie nous permet d’approfondir notre compréhension rationnelle du monde. Cependant, la technologie est plus que le produit et les moyens d’une compréhension plus précise et plus complète du monde. La technologie nous permet de faire des choses qui dépassent les limites naturelles de notre biologie. Pour la plupart, nous ne pensons pas beaucoup à cette propriété de la technologie. Quand on fait du vélo, par exemple, on utilise une technologie qui nous permet de passer de A à B de façon beaucoup plus efficace qu’ à pied.

Parfois, cependant, transcender les limites de la biologie humaine par le biais de la technologie ne suscite pas seulement des levers de sourcils, mais aussi des inquiétudes généralisées. La plupart des gens acceptent intuitivement la plupart des façons dont la technologie change ou élimine complètement les limites biologiques. Cependant, certaines limites biologiques semblent pour ainsi dire inaccessibles. L’une de ces limites est la durée de vie naturelle finie des êtres humains: la mort est une composante naturelle de la vie, et essayer de mettre fin à la mort naturelle peut sembler étrange. Notre réponse viscérale à l’idée de mettre fin à la mort, bien sûr, n’est guère plus que le biais du statu quo, associé à une variante de la fausseté voulue. La question de savoir si quelque chose est moralement souhaitable ne dépend pas du statu quo.

Mettre fin à la mort biologique naturelle a un certain nombre d’avantages qui vont au-delà de l’idée intuitive quece serait étrange de ne pas exister. Nous les humains, nous sommes systématiquement irrationnels dans de nombreux domaines, en raison de nos biais cognitifs. L’un de ces domaines est l’évaluation des risques. Une des sources de notre perception biaisée du risque est notre cycle biologique naturel. Les choses qui se produiront dans l’avenir nous importent moins que les choses qui se produiront immédiatement, simplement parce qu’il y a de l’incertitude quant à l’avenir. Si nous mettons fin à la mort biologique naturelle, nous changeons radicalement nos perspectives d’avenir. Nous n’essayons pas d’imaginer un monde dans lequel nous n’existerions plus, mais nous pensons plutôt à un monde futur qui est un monde distant, mais dont nous allons néanmoins faire partie. Un changement de perspective aussi radical pourrait contribuer à atténuer certains problèmes liés au biais actuel.

Nos préférences temporelles biaisées ne sont pas seulement présentes dans le domaine de la perception des risques, mais aussi dans le domaine apparemment simple de la planification prévisionnelle. Mettre fin à la mort biologique naturelle par le rajeunissement pourrait avoir un impact positif sur nos capacités de planification à long terme. D’un point de vue individuel, au niveau microéconomique, le fait de savoir que l’avenir à long terme (en termes de durée de vie humaine traditionnelle) n’est pas un monde incertain que l’on ne verra même pas, mais plutôt un état du monde qui se produira en temps voulu, pourrait inciter les individus à corriger automatiquement certains de leurs biais de planification. Après tout, si je sais que 50 ans plus tard, je serai toujours physiquement le même que maintenant, grâce au rajeunissement, alors je pourrais réfléchir plus attentivement aux décisions que je prends aujourd’hui et qui pourraient m’affecter à l’avenir.

Pour réaliser cette étude, nous avons formé une série de réseaux neuronaux profonds sur des tests sanguins anonymes pour des patients de trois groupes ethniques distincts: les Coréens, les Canadiens et les Européens de l’Est. Nous avons d’abord comparé la précision prédictive de nos modèles d’apprentissage en profondeur formés à l’aide de données propres à la population, puis lorsque nous avons utilisé un ensemble de données combinées et diversifiées sur le plan ethnique qui comprend des patients des trois populations de patients. Nous avons utilisé le même espace de 20 marqueurs biochimiques sanguins, le même nombre de cellules et le même sexe pour former trois réseaux profonds distincts sur trois populations ethniques spécifiques.

Nous présentons plusieurs nouvelles horloges de vieillissement hématologiques. Le prédicteur le plus performant a obtenu une erreur moyenne absolue (MAE) de 5,94 ans avec une plus grande précision prédictive que le prédicteur le plus performant de notre horloge de vieillissement précédemment rapportée (qui a obtenu une MAE de 6,07 ans), bien qu’il ait été formé sur un espace de caractéristique plus étroit (21 par rapport à 41 caractéristiques). Ces résultats sont conformes à l’hypothèse selon laquelle les horloges vieillissantes de diverses ethnies ont le potentiel de prédire l’âge chronologique et de quantifier l’âge biologique avec une plus grande précision que les horloges vieillissantes génériques. En outre, ils ont une plus grande capacité à rendre compte de l’effet confondant des facteurs ethniques, géographiques, comportementaux et environnementaux sur la prédiction de l’âge chronologique et la mesure de l’âge biologique.

L’albumine, le glucose, l’urée et l’hémoglobine figuraient parmi les paramètres biochimiques sanguins les plus importants pour les trois prédicteurs propres à la population. L’albumine est la protéine la plus répandue dans le sang et sa fonction principale est la régulation de la pression oncotique, qui est essentielle à la dynamique des fluides transcapillaires, et l’hypoalbuminémie est souvent associée à la malnutrition, aux maladies du foie, aux lésions, à l’inflammation chronique et au processus de vieillissement. La glycémie, au contraire, tend à augmenter avec l’âge, et le glucose est capable de modifier les protéines via une glycosylation irréversible, une caractéristique directement associée au processus de vieillissement. Les taux d’urée sérique augmentent également avec l’âge, ce qui est associé à une diminution de la masse musculaire liée à l’âge. Les diminutions de l’hémoglobine liées à l’âge sont fréquentes chez les personnes âgées, une affection qui augmente le risque de maladie cardiovasculaire, le déclin cognitif et une baisse globale de la qualité de vie.

Notre horloge hématologique est cohérente avec ce que l’on sait déjà sur la biologie et la physiopathologie du vieillissement. Bien que les paramètres sanguins ne soient pas des biomarqueurs précis du vieillissement en soi, lorsqu’ils sont analysés en combinaison, ils peuvent être utilisés pour prédire raisonnablement avec précision l’âge chronologique et biologique. Les horloges de vieillissement hématologiques fondées sur l’apprentissage en profondeur, même lorsqu’elles sont formées sur un espace limité, démontrent une précision raisonnablement élevée dans la prédiction de l’âge chronologique.

Auparavant, la quercétine était considérée comme un sénolytique dans les cellules endothéliales des veines ombilicales humaines sénescentes induites par irradiation. Les CEVHUV sont dérivées du cordon ombilical des nouveau-nés et ont longtemps été le seul modèle de cellules endothéliales humaines primaires (EC); cependant, ces cellules ne sont pas le meilleur modèle de maladies associées au vieillissement artériel humain. Il a été démontré que les CEVHU diffèrent considérablement des cellules endothéliales primaires dérivées du système vasculaire humain adulte. Dans la présente étude, nous avons examiné si la quercétine est un sénolytique dans la CE chez l’adulte et nous avons évalué si le quercétine 3-D-galactoside (Q3G; hyperoside) serait un sénolytique plus sélectif.

Nous avons utilisé des cellules endothéliales de l’artère coronaire humaine adulte (HCAEC), qui sont des cellules microvasculaires, comme modèle pertinent, et nous avons généré deux groupes de cellules à partir d’elles pour mieux comprendre l’effet de la quercétine: EP (passage précoce; jeune) et SEN (sens), comme modèle d’un tissu vieillissant.

Nos principales constatations sont que la quercétine à une concentration qui a réduit le SEN EC a également causé une importante mort cellulaire EP EC, et qu’il n’ y avait aucune preuve de mort de cellules sénescentes spécifique pour les cellules médiées par la quercétine. Ainsi, la quercétine n’est pas un sénolytique sélectif dans les cellules endothéliales artérielles humaines adultes, où les cellules EP et SEN ont réagi de la même façon à la toxicité de la quercétine.

Q3G pourrait agir comme un promédicament sélectif dans les cellules sénescentes. Toutefois, le Q3G n’ a présenté aucune toxicité significative pour le PE ou le SEN EC. L’absence de toxicité de Q3G dans l’étude en cours pourrait être due au fait que Q3G n’est pas en mesure de pénétrer dans les lysosomes riches en bêta-galactosidase, ou bien que Q3G peut se transloger dans les lysosomes pour libérer de la quercétine, qui est ensuite transformée en un composé inerte.

Pour les microglies cérébrales qui luttent pour garder les plaques amyloïdes sous contrôle, une solution pourrait être proche. Les chercheurs ont identifié un anticorps qui déclenche les progéniteurs de la moelle osseuse de la souris pour qu’ils se transforment en des cellules microgliales phagocytaires, lesquelles se dirigent ensuite vers le cerveau. Dans un modèle murin de la maladie d’Alzheimer, les cellules étaient regroupées autour de dépôts amyloïdes et réduisaient la charge en plaque.

Les découvertes sont nées d’un problème observé avec les thérapies à base de cellules souches – ce n’est pas suffisant pour générer le type de cellules désiré; les cellules doivent aussi être dirigées là où elles sont nécessaires. « Après l’embryogenèse, la partie ‘direction’ est fermée. Contrôler la migration est l’autre moitié de la thérapie aux cellules souches. » Pour y remédier, les chercheurs ont mis au point un dépistage des anticorps qui incitent les cellules souches à non seulement différencier les différents tissus, mais aussi à migrer vers d’autres tissus. Après avoir exprimé des anticorps sur des cellules souches de moelle osseuse, les chercheurs ont mis ces cellules dans des souris et ont cherché celles qui avaient acquis la capacité de migrer vers le cerveau ou d’autres tissus. « Dans une sélection normale, on regarde une population cellulaire et on trouve quelque chose de différent. Dans cette sélection basée sur la migration, les cellules s’auto-purifient parce qu’elles fuient la moelle osseuse et s’installent dans d’autres tissus. »

Les chercheurs ont commencé par une bibliothèque d’expression de lentivirus comprenant 100 millions de gènes d’anticorps à chaîne unique différents. Ils ont infecté des cellules de moelle osseuse de souris fraîchement isolées avec la bibliothèque, puis ont transplanté tout le lot de cellules infectées dans des souris dont la propre moelle osseuse avait été détruite par irradiation du corps entier. Après une semaine, ils ont utilisé la PCR pour détecter des traces de gènes d’anticorps dans différents tissus. Sur les 60 gènes différents détectés, ils en ont trouvé un, baptisé B1, six fois dans les tissus cérébraux de souris différentes, et jamais dans la rate, le foie ou le cœur.

Pour savoir si les cellules semblables à des microglies attaquent les amyloïdes in vivo, les chercheurs ont répété leurs expériences de transplantation en utilisant des souris APP/PS1. Ils ont infusé des cellules de moelle osseuse transduites par la souche B1 dans des animaux irradiés de huit semaines, puis ont attendu. Après six mois, les souris B1 ont hébergé environ 60 pour cent moins d’amyloïdes dans leur cerveau que les animaux transplantés avec de la moelle osseuse témoin. Les animaux avaient également plus de microglies et moins d’astrocytes que les témoins irradiés. Le traitement B1 induit-il des microglies de bonne foi et, dans l’affirmative, de quel type? C’est difficile à évaluer. « Je ne crois pas que ces cellules sont vraies, mais je m’en fiche. Si, comme le prétend l’étude, cet anticorps induit un type de cellule qui peut migrer vers la plaque chez des souris non irradiées, c’est important. Si cela est associé à l’élimination de la plaque, c’est énorme. Que les cellules deviennent des microglies n’est pas aussi important. »

On rapporte que la réduction de la régulation de la protéine kinase TOR augmente l’espérance de vie. Le TOR est très bien conservé à travers les eucaryotes et contrôle plusieurs fonctions cellulaires fondamentales, y compris l’autophagie – un mécanisme de réparation cellulaire important et très bien conservé. Le TOR est un régulateur important de la croissance et de la prolifération cellulaire et est composé de deux complexes protéiques différentiellement régulés, le complexe TOR 1 (TORC1) et le complexe TOR 2 (TORC2). Le TORC1 et le 2 ont des spécificités de substrat distinctes et sont sensibles différentiellement à la rapamycine, inhibiteur du TOR. TORC1 favorise l’anabolisme et inhibe le catabolisme en bloquant l’autophagie. TORC2 est connu pour être insensible à la rapamycine. Son rôle dans la synthèse des protéines n’est pas encore clair, bien qu’il joue des rôles dans de nombreux processus cellulaires via les kinases AGC et qu’il soit impliqué dans la survie des kératinocytes et le développement du cancer.

Les effets du RPT sur l’autophagie sont intéressants dans le contexte du vieillissement. On sait par exemple que l’autophagie est naturellement dérégulée par le vieillissement normal. La fonction de l’autophagie est de réparer les dommages cellulaires, ce qui donne à penser que les manipulations qui activent l’autophagie pourraient augmenter la durée de vie en maintenant la surveillance des dommages et en augmentant la réparation cellulaire. Il a été démontré que la surexpression de gènes autophagiques spécifiques prolonge la durée de vie des levures, des mouches et des cellules humaines. En général, les manipulations impliquant des modifications des gènes d’autophagie ou d’autophagie sont de plus en plus souvent associées à la durée de vie. En reliant les deux processus, il a été démontré que l’inhibition spécifique du TOR, qui à son tour active l’autophagie, entraîne une prolongation de la durée de vie chez diverses espèces.

La voie TOR peut être inhibée, et donc activée par l’autophagie, en inactivant le TORC1 par traitement des cellules avec de la rapamycine ou par privation d’azote. Cette augmentation de la durée de vie due à l’inhibition du TOR pourrait être due aux effets du TOR sur la synthèse des protéines. Cependant, les recherches sur C. elegans suggèrent un rôle plus direct de l’autophagie dans la modulation de la longévité, car l’inactivation des gènes d’autophagie empêche spécifiquement l’inhibition de l’activité TOR d’allonger la durée de vie. Cette constatation suggère que la voie TOR et l’autophagie agissent par la même voie de signalisation pour influencer la durée de vie. Toutefois, il convient également de noter que l’inhibition du TOR entraîne une diminution de la traduction et une augmentation de l’autophagie, d’où l’importance de déterminer si l’une ou l’autre des voies, ou les deux, sont le plus souvent associées aux effets sur la durée de vie.

Torin1 est un activateur bien établi de l’autophagie par inhibition de la voie TOR, qui inhibe le TOR avec un degré de sélectivité plus élevé que d’autres activateurs pharmacologiques précédemment utilisés, par exemple la rapamycine. Une partie du mécanisme d’action de Torin1 serait de supprimer les fonctions résistantes à la rapamycine de TORC1 qui sont nécessaires pour réduire l’autophagie. De plus, à la différence de la rapamycine, Torin1 inhibe la fonction kinase dans les complexes TORC1 et TORC2, ce qui pourrait lui conférer une plus grande efficacité. Torin1 inhibe la croissance et la prolifération des cellules à un degré beaucoup plus élevé que la rapamycine et peut représenter un inhibiteur plus efficace et spécifique.

Dans cette étude, nous avons initié une étude sur les effets sur la durée de vie et le succès reproductif de Torin1 fourni par l’intermédiaire du régime alimentaire, chez les femelles D. melanogaster non accouplées et toujours accouplées, et sur la durée de vie des mâles non accouplés. La principale constatation était que l’ajout de Torin1 à la diète active l’autophagie et entraîne une augmentation significative de la durée de vie chez les deux sexes. Une production élevée d’œufs a été observée chez les femelles nourries avec Torin1, mais dans l’ensemble, cela n’ a pas entraîné une plus grande fécondité globale, en raison d’une stérilité plus élevée chez ces femelles. Il n’ y avait donc aucune preuve d’un compromis entre longévité et fécondité totale, ou entre longévité et fécondité. Une reproduction élevée peut entraîner des dommages, ce qui peut réduire la durée de vie. Notre hypothèse est que l’activation de l’autophagie par l’administration diététique de Torin1 répare les dommages causés par une reproduction élevée, ce qui minimise potentiellement les compromis entre la durée de vie et le taux de reproduction.