Évaluation en temps réel de la réponse de synthèse d’ATP mitochondrial – MitoRaise

Contexte académique

Les mitochondries sont les centrales énergétiques des cellules, synthétisant principalement l’adénosine triphosphate (ATP) via la phosphorylation oxydative (oxidative phosphorylation, OXPHOS). L’ATP est le principal vecteur d’énergie cellulaire, et son taux de synthèse reflète directement l’état fonctionnel des mitochondries. Cependant, les méthodes traditionnelles de mesure de l’ATP ne permettent généralement qu’une évaluation ponctuelle des niveaux d’ATP ou une estimation indirecte de la fonction mitochondriale via le taux de consommation d’oxygène (oxygen consumption rate, OCR), sans possibilité de surveiller en temps réel les changements dynamiques de la synthèse d’ATP. En particulier, dans des maladies comme le cancer, les anomalies du métabolisme mitochondrial sont étroitement liées à la progression de la maladie, ce qui rend crucial le développement d’une méthode capable de surveiller en temps réel le taux de synthèse d’ATP mitochondrial.

Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de la Sungkyunkwan University et du Samsung Medical Center a développé une nouvelle technologie appelée MitoRaise, visant à mesurer en temps réel le taux de synthèse d’ATP mitochondrial et à explorer son potentiel d’application dans la surveillance des maladies.

Source de l’article

Cette recherche a été menée par Eun Sol Chang, Kyoung Song, Ji-Young Song et d’autres collaborateurs, issus de plusieurs institutions dont la Sungkyunkwan University et le Samsung Medical Center. L’article a été publié en 2024 dans la revue Cancer & Metabolism, sous le titre Real-time assessment of relative mitochondrial ATP synthesis response against inhibiting and stimulating substrates (MitoRaise).

Processus et résultats de la recherche

1. Développement et validation de la technologie MitoRaise

Le cœur de la technologie MitoRaise repose sur la surveillance en temps réel des changements des niveaux d’ATP pour évaluer le taux de synthèse d’ATP mitochondrial. L’équipe de recherche a d’abord conçu un protocole expérimental basé sur des signaux fluorescents, utilisant un perméabilisant membranaire (plasma membrane permeabilizer, PMP) pour rendre les membranes cellulaires perméables, permettant ainsi aux substrats d’entrer dans les cellules et de réagir avec les mitochondries. Les étapes spécifiques sont les suivantes :

• Perméabilisation membranaire : Les cellules sont traitées avec 5-10 nM de PMP pour assurer la perméabilisation tout en préservant l’intégrité des membranes mitochondriales. La perméabilisation est vérifiée par coloration au bleu trypan, garantissant que plus de 90 % des cellules sont perméabilisées.
• Mesure du taux de synthèse d’ATP : Les cellules perméabilisées sont ensemencées dans des plaques à 96 puits, puis un tampon de mesure mitochondriale (MAS buffer) contenant un inhibiteur de l’adénylate kinase (AP5A) est ajouté, suivi de l’ADP et d’un substrat fluorescent (solution ATPlite). Les changements des niveaux d’ATP sont surveillés en temps réel via les variations du signal fluorescent.
• Stimulation et inhibition par les substrats : Après la mesure du niveau basal d’ATP, des substrats stimulateurs (comme le glutamate et le malate) et inhibiteurs (comme la roténone et le malonate) sont ajoutés successivement pour mesurer respectivement l’augmentation et la diminution du taux de synthèse d’ATP.

L’équipe a validé la sensibilité et la spécificité de la technologie MitoRaise à travers une série d’expériences. Les résultats ont montré que MitoRaise peut mesurer avec précision les changements du taux de synthèse d’ATP mitochondrial dans diverses conditions, y compris avec des quantités variables de mitochondries, de cellules, des cellules endommagées et des mélanges hétérogènes de cellules.

2. Analyse de la fonction mitochondriale dans les lignées cellulaires

Pour évaluer davantage le potentiel d’application de MitoRaise, l’équipe a réalisé une analyse complète de la fonction mitochondriale dans plusieurs lignées de cellules cancéreuses du sein et d’autres types de cellules. Les résultats ont révélé des différences significatives dans les niveaux totaux d’ATP, le taux de synthèse d’ATP (ASR) et le nombre de copies d’ADN mitochondrial (mtDNA-CN) entre les différentes lignées cellulaires. En particulier, des lignées comme MCF7 et BT-474 ont montré une activité respiratoire mitochondriale élevée, tandis que des lignées comme MDA-MB-231 et BT-20 ont présenté une activité glycolytique plus importante.

Grâce à une analyse de corrélation, l’équipe a observé que dans certaines lignées cellulaires (comme MCF7 et BT-474), les niveaux totaux d’ATP étaient positivement corrélés au taux de synthèse d’ATP induit par les substrats, alors que dans d’autres lignées (comme MDA-MB-231 et BT-20), cette corrélation était absente. Cela suggère que MitoRaise peut distinguer efficacement les types de métabolisme cellulaire dépendant de la phosphorylation oxydative ou de la glycolyse.

3. Application dans des échantillons cliniques

L’équipe a également utilisé MitoRaise pour analyser les cellules mononucléées du sang périphérique (PBMCs) de 19 patientes atteintes de cancer du sein et de 23 femmes en bonne santé. Les résultats ont montré que les PBMCs des patientes atteintes de cancer du sein présentaient des niveaux d’ATP basal plus faibles, une réponse réduite à la roténone et au malonate, ainsi qu’un nombre de copies d’ADN mitochondrial inférieur, tandis que le taux de synthèse d’ATP induit par le glutamate était significativement plus élevé que dans le groupe témoin sain. Ces résultats indiquent que l’état métabolique mitochondrial des patientes atteintes de cancer du sein diffère significativement de celui des personnes en bonne santé.

En outre, l’équipe a constaté que l’âge était négativement corrélé aux niveaux d’ATP basal, à la réponse à la roténone, à la réponse au malonate et au nombre de copies d’ADN mitochondrial, suggérant que la fonction mitochondriale pourrait diminuer avec l’âge.

Conclusion et signification

La technologie MitoRaise, en surveillant en temps réel le taux de synthèse d’ATP, offre une nouvelle méthode pour évaluer la fonction mitochondriale. Cette technologie permet non seulement de mesurer avec précision les changements dynamiques de la synthèse d’ATP mitochondrial, mais aussi de distinguer les différents types de métabolisme cellulaire, ouvrant ainsi un large champ d’applications potentielles. En particulier, dans la recherche sur le métabolisme mitochondrial lié au cancer, au vieillissement, au syndrome de fatigue chronique et au diabète de type 2, MitoRaise pourrait devenir un outil essentiel.

Points forts de la recherche

• Surveillance en temps réel : MitoRaise permet de mesurer en temps réel le taux de synthèse d’ATP mitochondrial, surmontant les limites des méthodes traditionnelles.
• Haute sensibilité et spécificité : Grâce à une série d’expériences de validation, MitoRaise a démontré sa haute sensibilité et spécificité dans diverses conditions.
• Potentiel clinique : L’application de MitoRaise dans les PBMCs de patientes atteintes de cancer du sein a montré sa capacité à distinguer les différences de métabolisme mitochondrial dans les états pathologiques.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également souligné que l’optimisation de MitoRaise nécessitera de combiner la mesure du taux de consommation d’oxygène pour calculer avec précision le ratio phosphate/oxygène (P/O ratio), permettant ainsi une évaluation plus complète de la fonction mitochondriale. De plus, des études futures incluront des participants d’âges variés pour mieux comprendre la relation entre l’état métabolique mitochondrial, l’âge et les maladies.

La technologie MitoRaise fournit un nouvel outil pour la recherche sur les mitochondries et pourrait jouer un rôle important dans le diagnostic et le traitement des maladies.