Respirer ensemble : le potentiel de la collaboration multidisciplinaire
La réflectométrie de neutrons offre des perspectives uniques sur le surfactant pulmonaire, faisant progresser le développement de nouveaux matériaux thérapeutiques pour les troubles pulmonaires liés à un déficit en surfactant. Ces résultats sont les prémices d'une collaboration très prometteuse, issue d'un partenariat multidisciplinaire étroite et pérenne entre l'ILL et l'Université Complutense de Madrid.
Schéma du système respiratoire illustrant la structure anatomique des poumons, des alvéoles et le processus d'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone entre les alvéoles et les capillaires.(Cliquer pour agrandir)
Les alvéoles sont des structures microscopiques en forme de ballons dans les poumons, qui se dilatent et se contractent pour permettre l'échange d'oxygène et de dioxyde de carbone durant la respiration. Leur surface est tapissée de surfactant pulmonaire, un fluide qui réduit la tension superficielle et empêche leur affaissement. « Chez les prématurés, le surfactant des poumons immatures est déficient, rendant la respiration impossible », explique Jesús Pérez-Gil, professeur de biochimie et de biologie moléculaire à l'Université Complutense de Madrid. « Les tentatives de traitement avec des mélanges de surfactant uniquement lipidiques ont échoué, jusqu'à la fin des années 1980, lorsque deux protéines hautement inhabituelles et hydrophobes – la SP-B et la SP-C – ont été découvertes. »
Ces deux protéines – bien qu'elles représentent moins de 1 % de la masse du surfactant – sont indispensables : la SP-B est absolument essentielle à la vie, La SP-C, bien que non indispensable à la survie immédiate, est un facteur important dans la réduction du risque de maladies respiratoires chroniques. Malgré cette avancée majeure, de nombreux détails clés du système du surfactant pulmonaire restent inconnus, en grande partie à cause de la difficulté de reproduire un système aussi complexe et inaccessible en laboratoire, ainsi que de l'hydrophobicité extrême de ses protéines essentielles, qui les rend difficiles à isoler et à caractériser. « Au cours des 30 dernières années, nous avons développé une expertise substantielle dans ce domaine, en purifiant la SP-B et la SP-C à partir de sources naturelles et en les reconstituant dans des modèles lipidiques standardisés qui représentent fidèlement les conditions physiologiques », explique Pérez-Gil. « Pourtant, même avec ces progrès, nous ne comprenons toujours pas complètement comment ces protéines fonctionnent ni les contributions spécifiques de chacune.
Les modèles suggéraient que les protéines SP-B et SP-C jouent un rôle essentiel dans la formation de réservoirs multicouches à la surface des alvéoles lors de la compression, mais il n'existait aucune preuve expérimentale directe. Pour étudier ces structures interfaciales en 3D et clarifier le rôle spécifique de chaque protéine, les chercheurs se sont tournés vers la réflectométrie de neutrons en collaboration avec les scientifiques de l'instrument FIGARO à l'ILL. « Pour imiter l'interface air-liquide des alvéoles, nous utilisons une cuve de Langmuir – un petit conteneur rempli d'eau où des gouttes de l'échantillon s'étalent à la surface pour former un film. La pression de surface est contrôlée par des barrières mobiles », explique Javier Carrascosa-Tejedor, chercheur à l'ILL. « Installé au sein du réflectomètre FIGARO, ce montage permet une étude en temps réel des changements de composition et de structure à l'interface lors de la compression et de l'expansion du film. Ceci est possible grâce au flux de neutrons exceptionnellement élevé de l'ILL, qui permet la collecte de données à une vitesse, une résolution et une qualité inégalées. »
Cette capacité unique a été combinée à une puissante méthode de contraste tirant parti de la différence significative dont les neutrons interagissent avec l'hydrogène et son isotope, le deutérium. « Les protéines SP-B et SP-C fournies par le groupe de Pérez-Gil ont été combinées avec différentes substitutions lipidiques hydrogénées ou deutérées, ce qui a permis de masquer ou de mettre en évidence des parties spécifiques du système », explique Carrascosa-Tejedor. « Cela a été essentiel pour révéler la composition et la structure à la fois de la monocouche et des réservoirs lipidiques formés à hautes pressions de surface. » En complément des expériences de réflectométrie de neutrons – réalisées dans les conditions les plus pertinentes sur le plan physiologique possible – des informations additionnelles ont été obtenues grâce à des mesures de cuve de Langmuir et d'ellipsométrie au Partenariat pour la Matière Condensée Molle (PSCM), ainsi qu'à la microscopie à épifluorescence à l'Université Complutense. « Tandis que la réflectométrie de neutrons révèle la structure du film perpendiculairement au plan, la microscopie corrobore et étend ces profils de profondeur à l'échelle nanométrique en montrant directement comment le matériau est distribué dans le plan », conclut Carrascosa-Tejedor.
Cette étude fournit des informations mécanistiques sur la façon dont le surfactant pulmonaire maintient la stabilité interfaciale pendant la respiration.
Les résultats, récemment publiés dans le Journal of Colloid and Interface Science, fournissent la preuve expérimentale des transitions monocouche-multicouche à la surface des alvéoles durant la compression, clarifiant ainsi le rôle spécifique de chaque protéine. « Il a été démontré que la SP-B est le principal responsable de la formation et de la stabilisation des réservoirs lipidiques multicouches 3D sous l'interface, confirmant ainsi son rôle essentiel », explique Ainhoa Collada, chercheuse à l'Université Complutense de Madrid. « En revanche, aucune structure de ce type n'a été détectée dans les systèmes ne contenant que la SP-C ou dépourvus des deux protéines. » Ces découvertes confirment les connaissances antérieures : la SP-B est essentielle à la formation des réservoirs, et par extension, à la respiration, tandis que la SP-C joue un rôle de soutien. « Bien que cette étude se soit concentrée sur le rôle de chaque protéine individuellement, notre prochain article explorera la synergie entre les deux protéines, qui coexistent toujours, mais dont l'interaction reste mal comprise », annonce Ainhoa Collada.
De nombreuses autres publications sont attendues dans le cadre de cette collaboration étroite et perenne entre l'Université Complutense et l'ILL. « Ce travail – à la frontière d'un système biologique extrêmement complexe et d'une technique expérimentale de pointe – illustre le potentiel incroyable de la collaboration multidisciplinaire pour faire progresser la science », explique Pérez-Gil. « Il a fallu des années pour apprendre à travailler ensemble et à créer une structure dans laquelle nous parlons le même langage grâce à un effort mutuel, à des investissements et à une adaptation », poursuit Ainhoa Collada. Cette collaboration a déjà mené à des avancées significatives des deux côtés : des matériaux améliorés (incluant le recours au génie génétique pour produire des protéines humaines), une refonte de la cuve de Langmuir et de son montage pour atteindre des pressions de surface et des températures plus élevées, permettant aux expériences de se rapprocher progressivement des conditions physiologiques. Pour l'avenir, la production de versions deutérées des SP-B et SP-C offre un grand potentiel pour une localisation précise, notamment dans les modèles contenant les deux protéines simultanément.
« Notre objectif principal demeure le développement de nouveaux matériaux thérapeutiques pour les patients souffrant de troubles pulmonaires liés à un déficit en surfactant, pour lesquels les options de traitement sont actuellement limitées », précise Pérez-Gil. Les informations structurels obtenus par réflectométrie de neutrons représentent une étape importante vers cet objectif et soulignent la contribution précieuse que cette technique peut apporter à l'avancement de la science du surfactant pulmonaire.
Réference: Ainhoa Collada, Javier Carrascosa-Tejedor, Pablo Sanchez-Puga, Alessio Liguori, Philipp Gutfreund, Andreas Santamaría, José Carlos Castillo-Sanchez, Armando Maestro, Antonio Cruz, Jesús Pérez-Gil. "Escaping from Flatland: the role of proteins SP-B and SP-C in the formation of 3D structures in interfacial pulmonary surfactant films". Journal of Colloid and Interface Science 701 (2026) 138769
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138769
Instrument ILL: FIGARO
Contact ILL: Javier Carrascosa Tejedor