La photobiomodulation proche infrarouge : comment elle agit sur nos cellules ? (étude in vitro) et implications pour la maladie d’alzheimer

La photobiomodulation (PBM) est une thérapie utilisant de la lumière, découverte par hasard en 1967. Au départ appelée « thérapie laser de faible intensité », cette technique consiste à exposer des tissus à de la lumière rouge ou infrarouge de faible puissance. Contrairement aux lasers chirurgicaux qui détruisent les tissus, cette lumière douce semble avoir des effets bénéfiques sur les cellules, notamment pour réduire la douleur, favoriser la cicatrisation et potentiellement améliorer la santé du cerveau.

Cette étude a examiné les effets d’un appareil émettant de la lumière infrarouge à 810 nm avec une densité de puissance de 25 mW/cm², pulsée à une fréquence de 10 Hz. Cette fréquence a été choisie car elle correspond aux ondes cérébrales alpha, que notre cerveau produit naturellement lorsque nous sommes détendus.

1. L’effet sur les cellules vivantes

Les chercheurs ont exposé deux types de cellules cancéreuses (HeLa et U251) à cette lumière pendant une heure. Ils ont mesuré la résistance électrique de ces cellules et le courant qui les traverse.

Résultats surprenants : À une fréquence de 50 kHz, les cellules exposées à la lumière ont montré une augmentation de la résistance électrique d’environ 7,8% pour les cellules HeLa et 4,3% pour les cellules U251. C’est comme si les cellules freinaient le passage du courant électrique.

Ce qui est fascinant, c’est que malgré cette résistance accrue, certaines cellules (HeLa) laissaient passer plus de courant qu’avant. Les chercheurs pensent que cela pourrait expliquer comment la photobiomodulation aide à maintenir un équilibre sain dans le cerveau : elle stimule l’activité tout en créant des mécanismes de contrôle.

2. L’effet sur les microtubules

Les microtubules sont des structures microscopiques qui forment une sorte de « squelette » à l’intérieur de nos cellules, particulièrement importantes dans les neurones du cerveau. Imaginez-les comme des rails sur lesquels circulent des « trains moléculaires » transportant des nutriments.

Les chercheurs ont stabilisé des microtubules avec du Taxol (un médicament anticancéreux) puis les ont exposés à la lumière pendant 120 minutes. Le Taxol est normalement très efficace pour maintenir ces structures intactes.

Découverte inattendue : Malgré la présence de Taxol à une concentration de 4 μM, l’exposition à la lumière a provoqué une déstabilisation graduelle et un désassemblage des microtubules. C’est remarquable car cela montre que la lumière peut contrecarrer l’effet d’un médicament puissant. Des agrégats de tubuline (les protéines qui forment les microtubules) se sont formés, ce qui a été observé au microscope à fluorescence.

3. L’effet paradoxal sur la tubuline libre

Dans la troisième série d’expériences, les chercheurs ont mesuré comment la tubuline (les « briques » qui construisent les microtubules) se polymérise – c’est-à-dire s’assemble – après avoir été exposée à la lumière.

Les résultats contradictoires : Tout dépendait de la concentration de tubuline utilisée !

À une concentration proche de celle trouvée naturellement dans nos cellules (environ 22,7 μM), la lumière a ralenti la polymérisation et réduit la quantité totale de microtubules formés. Le temps nécessaire pour atteindre 10% de polymérisation était significativement plus long dans les échantillons exposés.

Mais à une concentration double (45,5 μM), l’effet inverse a été observé : une augmentation remarquable de la vitesse de polymérisation et de la masse totale de polymères, avec un taux de croissance maximal presque doublé.

Les chercheurs proposent une explication fascinante basée sur les interactions entre les molécules et l’eau qui les entoure.

L’hypothèse de la « coquille d’hydratation »

Chaque protéine dans notre corps est entourée d’une fine couche d’eau appelée « couche d’hydratation », qui s’étend sur environ 14 à 22 angströms (quelques milliardièmes de mètre). Cette eau n’est pas comme l’eau ordinaire : elle est structurée et organisée par la protéine.

La lumière infrarouge interagirait avec cette couche d’eau en :

– Augmentant le volume de la coquille d’hydratation (les molécules « gonflent »)

– Diminuant sa viscosité (elle devient plus fluide)

Deux effets en compétition

À faible concentration : Les molécules de tubuline sont espacées. Pour se rencontrer et s’assembler, elles doivent se déplacer (diffuser). Si elles « gonflent » à cause de la lumière et que leur mobilité diminue, elles ont plus de mal à se trouver. Résultat : moins de polymérisation.

À haute concentration : Les molécules sont déjà proches les unes des autres. Leur « gonflement » les rapproche encore plus, facilitant leur assemblage. De plus, la lumière infrarouge pourrait créer des « zones d’exclusion » chargées négativement autour des protéines, qui attirent des ions positifs servant de « colle moléculaire ». Résultat : polymérisation accélérée.

Ces découvertes ont des implications importantes pour comprendre comment la photobiomodulation pourrait aider dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer ou Parkinson.

L’équilibre délicat

Les expériences sur cellules vivantes suggèrent que la photobiomodulation équilibre la stimulation excitatrice avec l’inhibition. Dans des conditions pathologiques, un excès de stimulation (excitotoxicité) peut endommager les neurones. La PBM semble aider à maintenir un équilibre sain.

Comparaison avec les lasers de haute intensité

D’autres études ont montré qu’avec des lasers de haute intensité (comme 1 W à 4,5 cm ou 300 mW/cm²), des « varicosités » se formaient dans les microtubules, bloquant le flux axonal et réduisant la signalisation de la douleur.

Dans cette étude, avec seulement 25 mW/cm², l’effet inverse a été observé : dépolymérisation des microtubules. Les chercheurs suggèrent que la PBM de faible intensité n’empêche pas la signalisation axonale mais pourrait au contraire stimuler la signalisation neuronale, ce qui serait cohérent avec l’amélioration des fonctions cérébrales observée dans les études cliniques.

Haute intensité vs faible intensité

Un résumé simple :

– Haute intensité : forme des gonflements (varicosités), ralentit la transmission, réduit le potentiel mitochondrial, peut bloquer la douleur

– Faible intensité : provoque la dépolymérisation, maintient la signalisation, augmente probablement le potentiel mitochondrial, améliore les fonctions cérébrales

Cette étude est novatrice car elle montre pour la première fois que :

1. La photobiomodulation a des effets mesurables au niveau cellulaire : elle change la façon dont les cellules réagissent aux courants électriques, avec des effets qui dépendent de la fréquence utilisée.

2. Les effets sur les microtubules sont puissants : la lumière de faible intensité peut contrecarrer l’effet stabilisant du Taxol, un médicament anticancéreux puissant, ce qui suggère un effet d’une potence similaire à celle de médicaments comme le paclitaxel ou la lankacidin C.

3. Les effets dépendent du contexte : selon la concentration de tubuline, les pulsations de fréquence, ou le type de cellules, les effets peuvent être opposés. Cela suggère que la PBM est un modulateur complexe plutôt qu’un simple stimulant ou inhibiteur.

4. De nouveaux mécanismes sont proposés : l’interaction avec les couches d’hydratation et la formation de zones d’exclusion offrent de nouvelles pistes pour comprendre comment fonctionne la photobiomodulation.

Les chercheurs reconnaissent que leurs expériences ont été réalisées en dehors de cellules vivantes (in vitro), dans des conditions simplifiées. Dans nos cellules, les microtubules existent dans un environnement beaucoup plus complexe, avec de nombreux ions (sodium, calcium, potassium) et d’autres protéines.

Les prochaines étapes incluront :

– Tester avec des concentrations ioniques plus élevées

– Ajouter des protéines associées aux microtubules (comme les protéines tau impliquées dans Alzheimer)

– Explorer différentes longueurs d’onde et fréquences de pulsation

– Utiliser des techniques comme la diffusion dynamique de la lumière pour mesurer les changements de taille des molécules

– Employer la spectroscopie Raman pour observer les changements structurels

Cette étude révèle que la lumière infrarouge de faible intensité n’est pas simplement une « lampe chauffante » pour nos cellules. Elle interagit de manière subtile et complexe avec les structures cellulaires, en particulier les microtubules essentiels au fonctionnement des neurones.

Les trois séries d’expériences ont produit une nouvelle compréhension de la façon dont les cellules vivantes, les structures cellulaires et les composants comme les microtubules et la tubuline répondent à la photobiomodulation infrarouge de faible intensité.

Plutôt qu’un effet unique et direct, la photobiomodulation semble agir comme un modulateur intelligent qui aide les cellules à maintenir leur équilibre. Elle peut stimuler ou inhiber selon les besoins, protégeant contre l’excitotoxicité tout en favorisant une activité neuronale saine.

Ces découvertes ouvrent la voie à une utilisation plus précise et personnalisée de la photobiomodulation pour traiter les maladies neurodégénératives, la douleur chronique et potentiellement d’autres conditions où l’équilibre cellulaire est perturbé. Comprendre ces mécanismes au niveau moléculaire nous permettra de mieux ajuster les paramètres (longueur d’onde, intensité, fréquence de pulsation, durée) pour obtenir les meilleurs résultats thérapeutiques.