L'Institut de recherche sur la biologie des animaux de ferme (FBN) à Dummerstorf, en Allemagne, se concentre sur l'exploration d'une meilleure gestion du bétail dans le cadre d'une agriculture durable. L'Institut organise ses recherches autour de quatre thèmes principaux : l'individualisation de l'élevage des animaux de ferme, l'élevage des animaux dans le cadre de cycles de ressources durables, la gestion des phases critiques de la vie des animaux de ferme et la promotion de la diversité dans l'élevage des animaux. Dans ce cadre, plusieurs groupes de travail explorent des thèmes spécifiques. Le groupe de travail 'Cell Biology of Muscle Growth' du FBN est dirigé par la Dr Monika Röntgen. Elle décrit comment de nouveaux outils de recherche, tels que le LiCellMo de PHCbi, offrent une plus grande précision et une capacité de gain de temps dans la mesure des paramètres importants de la myogenèse (développement et croissance musculaires).
La myogenèse postnatale dépend des cellules souches musculaires, y compris les cellules satellites (SC). Le nombre et les propriétés fonctionnelles de ces cellules souches déterminent la formation, la croissance, le potentiel de régénération et l'adaptabilité des muscles. De plus, au cours des périodes critiques du développement musculaire, leur fonctionnalité peut être modifiée de manière permanente par divers facteurs.
Notre recherche vise à contribuer à une meilleure compréhension des processus de développement et de plasticité musculaires afin d'améliorer la santé musculaire, la composition corporelle et la qualité de la viande chez les animaux d'élevage. Nous explorons également des méthodes alternatives et écologiques pour produire des protéines animales en tant que partie intégrante de la sécurité alimentaire mondiale », explique-t-elle. Nos principaux thèmes de recherche sont le contrôle moléculaire et métabolique des processus myogéniques postnataux précoces chez les animaux d'élevage, la modulation du comportement de croissance des cellules souches par des composés alimentaires, des substances bioactives et des composants du système immunitaire, et la production de protéines pour l'alimentation humaine à partir de cellules souches animales.
Concentré dès le début
Le groupe de travail s'intéresse particulièrement à mieux comprendre le développement musculaire au cours de la période postnatale très précoce. C'est une période critique car deux événements se produisent. Premièrement, la population de cellules souches (adultes) se développe. Et deuxièmement, le tissu musculaire, en particulier les myofibres, croît très rapidement.
« Jusqu'à présent, peu de recherches sur le rôle des cellules souches dans le développement musculaire précoce des animaux d'élevage ont été réalisées par d'autres », déclare le Dr Röntgen. « Nous nous concentrons sur la recherche sur le porc parce qu'il s'agit d'un animal de ferme très important et aussi d'un modèle très intéressant pour la médecine humaine. »
Plus précisément, nous essayons d'en savoir plus sur une maladie génétique importante qui se manifeste au cours de cette période précoce : Le « syndrome des pattes écartées », qui empêche les porcelets de se tenir debout et donc de boire. Cela peut entraîner la mort précoce des porcelets affectés », poursuit-elle. La pathogenèse de cette maladie n'est pas vraiment comprise. Elle est également présente chez de nombreuses autres espèces : humains, chiens et moutons. Une meilleure compréhension de la maladie permet d'en savoir plus sur le développement musculaire précoce et prénatal, tous deux perturbés dans le cadre de cette maladie. »
Le groupe de biologie cellulaire de la croissance musculaire s'intéresse également beaucoup à la découverte de nouvelles façons de réduire l'utilisation des antibiotiques grâce à des alternatives et se concentre sur l'étude du rôle des probiotiques dans ce contexte.
Viande cultivée
Cependant, le plus grand projet du Groupe est actuellement de développer un processus complet pour fabriquer de la viande cultivée en utilisant des cellules souches de porc. Ce projet est financé par le Ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche, et le FBN collabore avec trois autres partenaires : deux instituts de recherche et une entreprise.
Augmenter l'échelle
Dans le groupe du Dr Röntgen, entre autres, M.Sc. Tessa Wolter travaille sur ce projet, qui se concentre sur la recherche de solutions pour produire des protéines animales de haute qualité de manière cellulaire.
« En général, nous sommes très intéressés par les processus métaboliques et le rôle régulateur des signaux métaboliques et mitochondriaux dans la prolifération et la différenciation cellulaires, parmi lesquels le lactate joue un rôle important », déclare le Dr. Röntgen. « Pour produire des cellules musculaires pour la viande cultivée, nous devons atteindre une efficacité de myogenèse plus élevée. Pour cela, on peut notamment modifier la composition du milieu afin de rendre le métabolisme des cellules plus efficace. »
Le LiCellMo peut être utilisé pour analyser des échantillons de milieu prélevés dans votre bioréacteur pour le glucose et le lactate afin de contrôler la croissance cellulaire et l'activité métabolique.
« Dans notre travail, nous devons effectuer de nombreux tests pour optimiser nos milieux en ce qui concerne le glucose et d'autres composants », continue-t-elle. « Le LiCellMo nous aide parce que nous pouvons voir directement, en temps réel, les effets positifs ou négatifs de ces changements. Normalement, vous devez terminer vos expériences avant de pouvoir commencer à analyser les échantillons de milieu. Bien entendu, ce processus est très long et fastidieux. »
Avec le LiCellMo, l'équipe de recherche peut directement observer l'évolution de l'activité métabolique des cellules, reflétée par le pH, le glucose et le lactate, lueévra et peut prendre rapidement des décisions concernant le moment optimal pour effectuer des changements de milieu.
« L'intensification de nos démarches est un autre point », explique le Dr Röntgen. « C'est l'une des plus grandes difficultés car, dans la culture cellulaire standard, nous utilisons normalement des boîtes ou des flacons avec de petits volumes de 12 à 20 ml. Lorsque vous commencez à travailler avec un bioréacteur, le volume est beaucoup plus grand et vous devez d'abord déterminer la densité cellulaire optimale. Même si cela semble simple, c'est essentiel pour toutes les autres étapes qui suivront. Dans notre cas, nous avons commencé par passer une coupelle de 12 ml à un plus petit bioréacteur dont le volume total est de 200 millilitres, puis nous avons commencé à travailler à une échelle plus grande en utilisant un bioréacteur d'un volume de 20 litres. Bien sûr, il n'est pas possible de transférer rapidement la situation du plat dans ce grand volume. Ainsi, il est important de contrôler ce qui se passe au fil du temps. Le LiCellMo peut être utilisé pour analyser des échantillons de milieu prélevés dans votre bioréacteur afin de mesurer le glucose et le lactate pour contrôler la croissance cellulaire et l'activité métabolique.
Avantages pratiques
L'un des avantages du LiCellMo est sa petite taille. Il s'adapte très bien à notre incubateur et n'occupe pas trop d'espace. Il reste donc suffisamment d'espace pour réaliser d'autres expériences en parallèle », explique Mme Wolter. « L'affichage des données à temps a également été très utile.
« Le LiCellMo est simple à utiliser et, surtout, il est extrêmement sensible. C'est pourquoi il est très important de prévoir des milieux vierges pour toutes les conditions testées afin de différencier les activités cellulaires des effets de la manipulation, par exemple, l'ouverture de la porte de l'incubateur. »
« Un autre avantage du LiCellMo est qu'il permet de réaliser des expériences à faible volume, ce qui aide à économiser des ressources comme les cellules primaires ou les milieux de culture », souligne-t-elle. Contrairement au format à 96 puits, le format à 24 puits utilisé avec le LiCellMo n'est pas trop petit. C'est important car dans de nombreux types de cellules, la capacité à proliférer et à se différencier varie en fonction de la taille de votre récipient. Il faut trouver le format optimal, mais le format 24 puits est un bon point de départ et les cellules se développent souvent mieux que dans des formats plus petits. »
Le Dr Röntgen ajoute que des kits de test disponibles dans le commerce ont déjà été utilisés pour mesurer le lactate en particulier, mais que le LiCellMo présente des avantages significatifs.
Le LiCellMo est simple à utiliser et, le plus important, c'est qu'il est extrêmement sensible
« Le lactate est très important dans les muscles, bien sûr », déclare-t-elle. « En règle générale, la mesure de l'activité de la déshydrogénase de lactate dans le tissu musculaire ou les cellules est une méthode standard pour obtenir des informations sur la situation métabolique. Une autre méthode consiste à mesurer la concentration de lactate extracellulaire à l'aide de kits de test qui, selon nous, n'étaient pas suffisamment sensibles, notamment lors du travail avec des cellules. En outre, pour les deux méthodes, les échantillons sont analysés après avoir terminé l'expérience. Ici, je dois dire que l'analyse du lactate avec le LiCellMo fonctionne beaucoup mieux en raison de sa plus grande sensibilité. »
« Le LiCellMo utilise des plaques de culture cellulaire classiques, disponibles dans le commerce, ce qui présente l'avantage de pouvoir réaliser d'autres expériences en parallèle », ajoute Mme Wolter. « Et, surtout, vous pouvez utiliser les cellules pour des recherches en aval après les avoir surveillées. Par exemple, vous pouvez déterminer le nombre de cellules, les concentrations d'ADN et de protéines pour caractériser la croissance cellulaire ou étudier l'expression des gènes afin de comprendre les processus de régulation. Ce n'est pas un test final avec le LiCellMo. Si vous êtes intéressé(e) par d'autres tests ou traitements pendant la mesure, vous pouvez mettre en pause le LiCellMo à tout moment, puis reprendre la mesure ultérieurement. »
Potentiel futur
Pour le Dr Röntgen, il est probable que les mesures directes provenant de grands bioréacteurs soient essentielles.
« Le fait que nous puissions analyser les milieux de nos bioréacteurs avec un équipement tel que le LiCellMo est déjà un avantage », déclare-t-elle. « Nous savons que plus tard… dans le futur…, nous aurons des bioréacteurs beaucoup plus grands. Il serait alors formidable de disposer d'une possibilité directe pour échantillonner et contrôler les milieux dans un bioréacteur au fil du temps. » Nous pourrions ainsi prélever directement un échantillon, l'analyser et obtenir des informations pertinentes. »
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