Cet axe s’inscrit dans le cadre des enjeux thématiques identifiés dans le cadre de la Stratégie Régionale d’Innovation pour une Spécialisation Intelligente (SRI-SI) dans son volet « thérapies de demain et santé », notamment les axes de la médecine régénératrice et nano-médecine via les biomatériaux appliqués à la médecine (ostéo-articulaire, dentaire), et de la médecine nucléaire via la production de radio-isotopes innovants pour l’imagerie et la thérapie.
Deux exemples de sujets de recherche développés sont donnés ci-dessous.
Perspectives de résolution des structures des canaux ioniques cardiaques par cryo-microscopie électronique monochromatée
Partenaires: Dr. Gildas Loussouarn (DR2 CNRS, L’Institut de Thorax – INSERM), and Dr. Olga Sokolova, (Head of lab, Lomonosov Moscow State University, Russia) – P. Moreau (Pr,IMN)
Ce sujet vise à développer au sein de CIMEN des compétences et une recherche en détermination de structures de protéines membranaires telles que les canaux ioniques. Au cours de la dernière décennie, un nombre considérable de travaux de recherche dans le monde entier s’est concentré sur la biologie structurale et s’est appuyé sur l’utilisation de la microscopie cryogénique (cryo-EM). Des logiciels, pour la reconstruction 3D de molécules complexes telles que les protéines à partir de la capture dans toutes les directions de dizaines de milliers d’images de particules uniques ont aussi été développés. Le projet implique le Dr Gildas Loussouarn, chercheur à l’Institut du Thorax avec une expertise approfondie sur l’étude des mécanismes moléculaires des canaux ioniques associés à l’arythmie cardiaque et sur les nouvelles orientations thérapeutiques, avec sa collaboratrice et partenaire internationale, la Dr Olga Sokolova, de l’Université d’Etat de Moscou Lomonosov, avec une connaissance approfondie de la synthèse des canaux ioniques et de la caractérisation structurelle. Des chercheurs à l’IMN, notamment les Dr. Philippe Moreau et Eric Gautron, collaborent sur cette thématique.
(à gauche) image TEMen condition cryogénique dans le Nant’Themis de gp228 Chaperonin
(à droite) sa reconstruction 3D grâce au logiciel RELION 3.0. (Eric Gautron et Olga Sokolova).
Le but de ce projet est double : résoudre la structure de l’état fermé stabilisé du canal cardiaque en imageant des échantillons par cryo-EM tout en explorant les perspectives d’utilisation d’un faisceau d’électrons monochromaté pour augmenter la résolution spatiale. La combinaison d’informations structurales et d’approches fonctionnelles (électrophysiologiques) apportera une compréhension fondamentale de la façon dont les mutations des canaux peuvent affecter leur fonctionnement et aidera à concevoir des agents pharmacologiques qui pourraient «ancrer» la structure protéique d’un canal ionique spécifique déterminé par cryo- microscopie. Plus la résolution sur la détermination de la structure des protéines est élevée, plus la description du processus d’amarrage est efficace et spécifique.
Le microscope électronique en transmission à balayage (STEM) Titan Themis Z, équipé d’un système de détection directe des électrons (caméra K2) est potentiellement bien adapté pour cette recherche. Mais son utilisation nécessite d’être explorée (car pas commune) afin de démontrer (ou non) les avantages d’un faisceau d’électrons monochromaté . L’interdisciplinarité de CIMEN est bien adaptée à ces objectifs.
Interfaces et structures de substituts osseux innovants vivants
Partenaires: Dr. Patricia Abellan (CR, project leader e-BRIDGE, IMN) Pr. Jérôme Guicheux (Director INSERM U1229-RMeS), Pr. Pierre Weiss (Team Leader of “Regenerative medicine of bone tissues”), Joëlle Véziers (Ingénieur CHU – plateforme SC3M), Pr. Jean Le Bideau (Head of group on confined ionic liquids, IMN)
La recherche sur les biomatériaux est un sujet majeur bien maîtrisé à Nantes et d’un intérêt général considérable pour ses implications sur l’amélioration de la santé. Des études récentes ont identifié qu’une solution prometteuse à la régénération osseuse consiste à combiner plusieurs éléments dans des substituts osseux vivants. Un ciment osseux de phosphate de calcium (CPBC) moussé avec une phase liquide polymérique transformée en hydrogel et incorporé avec des cellules souches mésenchymateuses de moelle osseuse permettent les propriétés suivantes : 1) la phase minérale soutient la formation osseuse, 2) la solution polymérique est utilisée comme agent moussant avant gélification et enfin 3) les cellules souches mésenchymateuses osseuses sont utilisées pour produire des précurseurs ostéogéniques.
Un consortium a été construit afin de pouvoir aborder les problèmes iés à la nature multidisciplinaire de la mousse. En particulier, des chercheurs de l’IMN (comme J. LeBideau) sont fortement impliqués dans ce type d’étude. La répartition des différents éléments au sein de la mousse (homogénéité, qualité, préservation …) doit être correctement évaluée et quantifiée. Cette connaissance peut aider à optimiser les formulations. L’interaction de ces éléments les uns avec les autres, les nouveaux produits possibles générés pourraient aussi fournir des indices sur l’évolution du système et sa capacité à s’implanter dans le corps.
Obtenir une vision en 3D de la mousse grâce au FIB Dual Beam en conditions cryogéniques en parallèle d’une étude plus locale (à l’échelle nanométrique) des différentes interfaces avec le Nant’Themis (également en conditions cryogéniques) est un des objectifs de cette thématique. Des reconstructions 3D obtenues avec le FIB permettent de déterminer les tailles des macropores ainsi que leur distribution. Des logiciels dédiés sont utilisés pour quantifier la proportion de chacun des éléments présents dans le volume reconstruit en 3D. Une difficulté de l’étude est de préparer les échantillons dans leur état originel (avec la solution de sel aqueuse toujours présente) et ainsi permettre une évaluation raisonnable du gonflement du polymère silanisé inclus dans la mousse. Il est également important de noter que l’expertise de la plateforme SC3M et des chercheurs pour l’hydrogel et les biomatériaux en général sont très utiles dans cette recherche et assurent une bonne synergie entre les partenaires.
Image MEB obtenue dans le FIB/SEM en condition cryogénique sur un ciment CDHA
(hydroxyapatite). (Dr. Mouad Essani).