Nos cellules entretiennent une relation complexe avec le microenvironnement du corps. Il a été étudié en laboratoire, mais, à ce jour, la plupart des études négligent les changements dynamiques du microenvironnement. En d’autres termes, ils étudient la vie cellulaire dans un monde statique.
Pour mieux représenter la réalité de la vie cellulaire dans le corps humain en constante évolution, les chercheurs de TU/e ont cultivé des cellules sur des hydrogels dont la géométrie de surface peut être modifiée à la demande, à l’échelle micrométrique, et remodelée à plusieurs reprises en l’éclairant de lumière bleue. Les résultats de la recherche pourraient contribuer au développement de futurs biomatériaux pour guérir le corps. La nouvelle recherche est publiée dans la revue Science avancée.
La vie en tant que cellule peut être ardue. Lorsqu’il ne s’inquiète pas des envahisseurs tels que les virus ou les mauvaises bactéries, il doit faire face à un microenvironnement en constante évolution, en particulier aux changements dans la géométrie des surfaces sur lesquelles il réside.
« Le microenvironnement d’une cellule est un endroit très occupé. Il y a la matrice extracellulaire (ECM) – le réseau complexe composé de fibres, de sucre et d’eau – et bien sûr d’autres cellules », explique Maaike Bril, Ph.D. chercheur au Département de génie biomédical. « Ensemble, ceux-ci influencent la fonction de la cellule et son cycle de vie global. »
Cette interaction constante entre les cellules et leur microenvironnement, mieux connue sous le nom de réciprocité dynamique, est pour le moins complexe. « Grâce aux interactions, les cellules et l’environnement adaptent continuellement leurs structures, géométries et propriétés biophysiques », explique Nicholas Kurniawan, professeur adjoint au Département de génie biomédical. « Pourtant, il reste beaucoup à apprendre sur la manière dont les cellules réagissent aux changements géométriques du microenvironnement »
Fais briller une lumière bleue
De nombreuses études en laboratoire ont été réalisées sur la façon dont les cellules réagissent aux changements de leur microenvironnement. Cependant, de nombreuses études oublient un aspect clé.
« Les études précédentes ont tendance à se concentrer sur des paramètres statiques dans lesquels les cellules sont placées sur des substrats qui peuvent être géométriquement modifiés mais restent dans cette configuration pendant toute la durée de l’expérience », explique Bril. « Ceci n’est pas représentatif du microenvironnement réel dans lequel la forme des tissus change continuellement. »
Pour capturer cet aspect, Bril, Kurniawan et d’autres collègues de la TU/e ont développé un substrat de culture cellulaire dont la forme ou la topographie de la surface peut être modifiée à l’aide de la lumière, qui a été publié dans Science avancée.
« Le substrat est fabriqué à partir d’un hydrogel photosensible à base de spiropyrane. Lorsqu’il est éclairé par une lumière bleue (longueur d’onde de 455 nanomètres) avec des motifs spatiaux spécifiques, le substrat change de forme à mesure que l’hydrogel gonfle, en suivant ces modèles directeurs, et les modifications apportées à l’hydrogel sont presque immédiat », déclare Bril. « De plus, les changements sont réversibles, ce qui signifie que l’hydrogel peut être utilisé pour étudier l’effet de diverses topographies de surface sur les cellules. »
Repenser les hydrogels
Avant que les chercheurs puissent cultiver des cellules sur les hydrogels sensibles à la lumière, ils ont dû résoudre un problème important. « Nous avons dû reconcevoir l’hydrogel avant de pouvoir y faire pousser des cellules », explique Bril.
Pour aider à la conception de l’hydrogel, Bril et Kurniawan ont fait appel au groupe d’Albert Schenning (professeur au Département de génie chimique et de chimie) spécialisé dans le développement de matériaux dont les propriétés peuvent être modifiées en réponse à la lumière.
« L’équipe de Schenning a effectué ses recherches précédentes dans l’eau et à température ambiante. Cependant, pour que les cellules se développent, les conditions sont différentes : elles doivent se développer sur une surface, dans un milieu qui favorise la croissance, elles ont besoin d’oxygène et elles ont besoin d’un environnement humidifié. atmosphère à une température d’environ 37 °C, la température centrale du corps humain », explique Kurniawan.
Cependant, il s’est avéré que la composition chimique du milieu de culture affectait la réponse de l’hydrogel à la lumière, ce qui explique pourquoi les chercheurs ont dû développer un nouvel hydrogel spécifiquement pour créer un environnement propice à la croissance des cellules. « Pour résoudre ce problème, nous avons inclus une couche de caoutchouc élastique qui protège l’hydrogel des produits chimiques présents dans le milieu de culture cellulaire qui affectent la façon dont l’hydrogel réagit à la lumière », explique Bril.
Les fibroblastes se souviennent
En ce qui concerne le type de cellules qu’ils souhaitaient étudier avec leur nouvelle méthode, les chercheurs se sont concentrés sur les cellules fibroblastiques. Ce sont des cellules responsables de l’entretien de la peau, des différents tissus et de nos organes. Et ils ont fait une découverte passionnante.
« Nous avons découvert que les fibroblastes peuvent se « mémoriser » les changements de forme passés survenus sur les surfaces sur lesquelles ils résidaient, et c’est une idée complètement nouvelle », déclare Bril avec enthousiasme. « Cette mémoire de la dynamique passée permet à la cellule de modifier son fonctionnement en fonction de ses besoins. Cela pourrait être un élément extrêmement important à prendre en compte lors de la conception de futurs biomatériaux ou de meilleurs traitements pour faciliter la cicatrisation des plaies. »
Maintenant que les chercheurs savent comment les cellules réagissent aux changements de surface, ils aimeraient en savoir plus sur ce qui se passe à l’intérieur des cellules lorsqu’elles réagissent aux changements de forme dans leur environnement.
« Ce serait formidable de savoir quelles protéines produites à l’intérieur d’une cellule sont essentielles aux changements de forme. Et d’étudier comment elles influencent ce qu’on appelle la mémoire mécanique, ou dans ce cas la mémoire topographique », explique Bril.
De plus, les chercheurs envisagent d’étudier plus en détail la manière dont les cellules interagissent avec d’autres cellules, car en réalité, les cellules du corps ne sont pas seules. « L’interaction et la communication avec les cellules voisines font partie intégrante de la vie d’une cellule », ajoute Bril.
Au-delà de l’étude plus approfondie des interactions cellule-cellule, les chercheurs souhaitent également voir comment leurs recherches pourraient être appliquées de manière nouvelle et passionnante. « Les hydrogels à transformation de forme qui soutiennent une matrice cellulaire vivante pourraient avoir de nombreuses applications qui attendent d’être explorées. Par exemple, nous pourrions les utiliser pour imiter la façon dont les tissus changent de forme et de taille au cours de la croissance », explique Kurniawan.
Plus d’information:
Maaike Bril et al, Les hydrogels photosensibles à morphing de forme révèlent le conditionnement topographique dynamique des fibroblastes, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202303136