Une équipe de recherche du groupe Life Physics of Excellence de la TU Dresden et de l’Université de Californie à Santa Barbara révèle comment les cellules perçoivent leur environnement mécanique tout en construisant des tissus au cours du développement embryonnaire.
La construction de tissus et d’organes est l’une des tâches les plus complexes et les plus importantes que les cellules doivent accomplir au cours du développement embryonnaire. Dans cette tâche collective, les cellules communiquent par une variété de méthodes de communication, y compris des signaux biochimiques – similaires à l’odorat d’une cellule – et des signaux mécaniques – le sens du toucher d’une cellule. Les chercheurs de diverses disciplines sont fascinés par les communications cellulaires depuis des décennies. Le professeur Otger Campàs et ses collègues du groupe d’excellence Physics of Life (PoL) de la Technische Universität Dresden et de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont maintenant percé un autre mystère entourant la façon dont les cellules utilisent leurs sens. Touchez pour prendre des décisions vitales pendant le développement embryonnaire. elles ou ils papier Il vient d’être publié dans la revue Nature Materials.
essai d’environnement
Dans leur article, les chercheurs rapportent comment les cellules d’un embryon vivant vivent mécaniquement leur environnement et quels paramètres et structures mécaniques elles voient. « Nous en savons beaucoup sur la façon dont les cellules détectent et réagissent aux signaux mécaniques dans un plat. Cependant, leur microenvironnement est très différent à l’intérieur de l’embryon et nous ne savions pas quels signaux mécaniques ils voient dans les tissus vivants », a déclaré Kampas, président du tissu dynamique et directeur général de PoL.
Les thérapies mécaniques aident les cellules à prendre des décisions importantes, telles que se diviser, se déplacer ou même se différencier, qui est le processus de différenciation par lequel les cellules souches se transforment en cellules plus spécialisées capables d’effectuer des fonctions spécifiques. Des travaux antérieurs ont révélé que les cellules souches placées sur un substrat artificiel s’appuyaient fortement sur des signaux mécaniques pour prendre des décisions : les cellules sur des surfaces ayant une rigidité similaire à l’os sont devenues des ostéoblastes (cellules osseuses), tandis que les cellules sur des surfaces ayant une rigidité similaire au tissu cérébral sont devenues des neurones. Les découvertes ont conduit à une avancée majeure dans le domaine de l’ingénierie tissulaire, car les chercheurs ont utilisé ces signaux mécaniques pour créer des échafaudages artificiels afin d’amener les cellules souches à se développer selon les résultats souhaités. Ces échafaudages sont aujourd’hui utilisés dans une grande variété d’applications biomédicales.
Du plat au fœtus vivant
Cependant, le plateau n’est pas le foyer naturel de la ruche. Lors de la construction d’un organisme, les cellules n’entrent pas en contact avec des échafaudages synthétiques dans une boîte plate, mais plutôt avec des matériaux vivants complexes en trois dimensions.
Au cours de la dernière décennie, le groupe de recherche du professeur Kampas a découvert les signaux mécanistes qui dirigent les cellules dans les tissus complexes du fœtus. à l’aide d’un fichier Technique Développé dans son laboratoire, les chercheurs ont pu examiner les tissus vivants d’une manière similaire à ce que font les cellules et voir quelles structures mécaniques les cellules détectent. « Nous avons d’abord étudié comment les cellules expérimentent mécaniquement leur microenvironnement lorsqu’elles se différencient et construisent l’axone du corps des vertébrés, à mesure qu’elles se différencient », a déclaré Kampas. « Les cellules utilisaient différentes saillies pour pousser et tirer sur leur environnement. Nous avons donc quantifié la vitesse et la force de la poussée. » À l’aide d’une gouttelette d’huile ferromagnétique qu’ils ont insérée entre des cellules en croissance et soumise à un champ magnétique contrôlé, ils ont pu simuler ces petites forces et mesurer la réponse mécanique des cellules environnantes.
La détection de la structure des tissus et des cellules modifie le destin
Crucial pour les actions de ces cellules embryonnaires est leur état physique collectif, que Kampas et son équipe de recherche ont décrit dans un article précédent comme une mousse active, de consistance similaire à la mousse de savon ou à la mousse de bière, avec les cellules maintenues ensemble par l’adhésion cellulaire et le tirant l’un sur l’autre. Kampas et son équipe ont découvert que ce que les cellules sondent mécaniquement, c’est l’état collectif de cette « mousse vivante » – sa résistance et la contrainte de l’assemblage. « Et au moment où les cellules se différencient et décident de changer leur destin, il y a un changement dans les propriétés matérielles des tissus qui les perçoivent. » Selon lui, au moment où les cellules du tissu décident de leur sort, le tissu perd sa rigidité.
pour avancer
Ce qui n’a pas encore été démontré dans cette étude est la question complexe de savoir si – et si oui, comment – un changement de rigidité dans l’environnement embryonnaire conduit à un changement d’état cellulaire. « Il existe une interaction entre les propriétés mécaniques des structures que les cellules construisent collectivement, telles que les tissus ou les organes, et les décisions qu’elles prennent individuellement, car elles dépendent des signaux mécaniques que les cellules détectent dans les tissus. Cette interaction est au cœur de la façon dont la nature construit des organismes.
Les résultats de cette étude peuvent également avoir des implications importantes pour l’ingénierie tissulaire. Les matériaux potentiels qui imitent les propriétés de mousse des tissus embryonnaires, par opposition aux échafaudages en polymère synthétique ou en gel largement utilisés, peuvent permettre aux chercheurs de créer des tissus, des organes et des implants artificiels plus robustes et complexes en laboratoire, avec les géométries et les mécanismes mécaniques appropriés. propriétés pour la fonctionnalité souhaitée.
