Understanding the mechanisms of cell inactivation by means of high hydrostatic pressure and low temperature treatments
Compréhension des mécanismes de l'inactivation cellulaire par les hautes pressions hydrostatiques et les basses températures
Résumé
The aim of this work was to understand the effects of high hydrostatic pressure (HHP) and low temperature on different cell models: bacteria, yeast, leukemia cells, spheroplasts, lipid vesicles. The viability of cells subjected to cold stress was first assessed, through long-term supercooling experiments (up to 71 days), versus freeze-thawing stress. Results showed that cells could be inactivated by the only action of sub-zero temperature, that is, without any water crystallization.
The effects of HHP at room temperature were then studied as a function of cell hydration. We highlighted the crucial role of water in determining cellular damage under pressure.
The combined effects of HHP and low temperature on cells were studied. Results showed a synergistic interaction between cold and HHP in their effects on microbial inactivation at pressures in the range of 100 to 300 MPa with an aw of 0.992. However, at pressures greater than 300 MPa, this trend was reversed, and cold counteracted the inactivation effect of pressure. When the amount of water in the cell suspension was increased, the synergistic effect was enhanced. Conversely, when the aw was decreased by the addition of solute to the cell suspension, the baroprotective effect of subzero temperature increased sharply. These results support the argument that water compression is involved in the mechanisms of HHP inactivation of cells. From a thermodynamic point of view, the mechanical energy transferred to the cell during the pressure treatment can be characterized by the change in volume of the system, which depends on the water quantity in the cytoplasm. The consequences of cell volume compression at the cellular level were characterized through the assessment of metabolic activity, the study of cell membrane structure and integrity and the visualization of cell shape and ultrastructure.
Ce travail est axé sur la compréhension des effets des hautes pressions hydrostatiques (HPH) et du froid sur différents modèles cellulaires : bactéries, levures, cellules leucémiques, sphéroplastes, liposomes. Une première partie a consisté à mettre en évidence les dommages cellulaires occasionnés par le froid jusqu’à -20 °C en milieu liquide vs milieu congelé lors de traitements avec de longs temps de maintien jusqu’à 71 jours.
L’influence des HPH (jusqu’à 600 MPa) à température ambiante est ensuite étudiée en fonction de l’état d’hydratation cellulaire. Le rôle crucial de l’eau est notamment souligné puisque les cellules faiblement hydratées peuvent acquérir une baro-résistance totale même dans le cas des traitements hyperbares drastiques.
L’étude s’est ensuite focalisée sur l’influence des traitements combinant hautes pressions et basses températures. Une interaction synergique entre les HPH et le froid vis-à-vis de l’inactivation cellulaire est observée pour les niveaux de pression inférieurs à 300 MPa (pour un niveau d’hydratation physiologique : aw=0,992). L’amplitude de cette synergie augmente avec le niveau d’hydratation cellulaire. Un effet d’antagonisme du froid apparait pour les niveaux de pressions supérieurs à 300 MPa, permettant de préserver les cellules contre l’action de la pression observée à 25 °C. L’amplitude de cet antagonisme augmente lorsque le niveau d’hydratation cellulaire diminue.
Les effets des différents traitements à l’échelle subcellulaire sont étudiés en considérant plusieurs aspects liés à la physiologie, l’ultrastructure, la morphologie, la structure et l’intégrité membranaires de la cellule. Ces effets sont reliés à la compression volumétrique cellulaire, phénomène plus global décrivant l’action de la pression sur le système cellulaire.