Un aperçu du sens du toucher des cellules lorsqu’elles construisent des tissus pendant l’embryogenèse

La construction de tissus et d’organes est l’une des tâches les plus complexes et les plus essentielles que les cellules doivent accomplir au cours de l’embryogenèse. 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 de la cellule.

Les chercheurs de diverses disciplines sont fascinés par la communication cellulaire depuis des décennies. Le professeur Otger Campàs et ses collègues du pôle d’excellence Physics of Life (PoL) de la Technische Universität Dresden et de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont maintenant pu percer un autre mystère entourant la question de savoir comment les cellules utilisent leur sens du toucher pour prendre des décisions vitales au cours de l’embryogenèse. Leur article vient d’être publié dans la revue Matériaux naturels.

Tester l’environnement

Dans leur article, les chercheurs rapportent comment les cellules d’un embryon vivant testent mécaniquement leur environnement et quels paramètres et structures mécaniques elles perçoivent. « Nous en savons beaucoup sur la façon dont les cellules détectent et réagissent aux signaux mécaniques dans un plat. Cependant, leur microenvironnement est assez différent au sein d’un embryon et nous ne savions pas quels signaux mécaniques ils perçoivent dans un tissu vivant », explique Campàs, président de Tissue Directeur Général Dynamique et PoL.

Les traitements mécaniques aident les cellules à prendre des décisions importantes, telles que de se diviser, de se déplacer ou même de se différencier ou non, le processus de différenciation par lequel les cellules souches se transforment en cellules plus spécialisées capables de remplir des fonctions spécifiques.

Des recherches antérieures ont révélé que les cellules souches placées sur un substrat synthétique s’appuient fortement sur des signaux mécaniques pour prendre des décisions : les cellules sur des surfaces ayant une rigidité similaire aux 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 grandement fait progresser le domaine de l’ingénierie tissulaire, car les chercheurs ont utilisé ces signaux mécaniques pour créer des échafaudages synthétiques afin d’amener les cellules souches à se développer dans les résultats souhaités. Ces échafaudages sont aujourd’hui utilisés dans une variété d’applications biomédicales.

D’un plat à l’embryon vivant

Cependant, un plat n’est pas l’habitat naturel de la cellule. Lors de la construction d’un organisme, les cellules ne sont pas en contact avec des échafaudages synthétiques dans un plat plat, mais plutôt avec des matériaux vivants complexes en trois dimensions.

Au cours de la dernière décennie, le groupe de recherche du professeur Campàs a découvert les signaux mécaniques qui guident les cellules dans les tissus complexes d’un embryon. En utilisant une technique unique développée dans son laboratoire, les chercheurs ont pu sonder le tissu vivant de la même manière que les cellules et découvrir quelles structures mécaniques les cellules détectent.

« Nous avons d’abord étudié comment les cellules testent mécaniquement leur micro-environnement lorsqu’elles se différencient et construisent l’axe corporel d’un vertébré, à mesure qu’elles se différencient », explique Campàs. « Les cellules utilisaient différentes saillies pour pousser et tirer sur leur environnement. Nous avons donc quantifié la vitesse et la force avec lesquelles elles poussaient. »

En utilisant une gouttelette d’huile ferromagnétique qu’ils ont insérée entre les cellules en développement et en la soumettant à un champ magnétique contrôlé, ils ont pu imiter ces forces minuscules et mesurer la réponse mécanique de l’environnement des cellules.

Détection de l’architecture tissulaire et des changements de destin des cellules

L’état physique collectif de ces cellules embryonnaires est essentiel à l’action de ces cellules embryonnaires, que Campàs et son groupe de recherche ont décrit dans un article précédent comme étant celui d’une mousse active, de consistance similaire à la mousse de savon ou à la mousse de bière, avec des cellules agglutinées par adhésion cellulaire et tirant l’un sur l’autre.

Ce que les cellules sondent mécaniquement, ont découvert Campàs et son équipe, c’est l’état collectif de cette « mousse vivante » – à quel point elle est rigide et à quel point l’assemblage est confiné. « Et juste au moment où les cellules se différencient et décident de changer leur destin, il y a un changement dans les propriétés matérielles du tissu qu’elles perçoivent. » Selon lui, au moment où les cellules du tissu décident de leur sort, le tissu tombe en raideur.

Aller de l’avant

Ce qui n’est pas encore prouvé dans cette étude est la question complexe de savoir si – et si oui, comment – le changement de la rigidité de l’environnement embryonnaire entraîne le changement de l’état cellulaire.

« Il existe une interaction entre les caractéristiques mécaniques des structures que les cellules construisent collectivement, telles que les tissus ou les organes, et les décisions qu’elles prennent individuellement, car celles-ci dépendent des signaux mécaniques que les cellules détectent dans le tissu. Cette interaction est au cœur de la façon dont la nature construit les organismes », explique Campàs.

Les résultats de cette étude pourraient également avoir des implications importantes pour l’ingénierie tissulaire. Les matériaux potentiels qui imitent les caractéristiques de mousse du tissu embryonnaire, 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 synthétiques plus robustes et sophistiqués en laboratoire, avec les géométries appropriées et caractéristiques mécaniques pour les fonctions recherchées.