Des microstructures d'hydrogel intelligentes permettent l'application précise de la force aux systèmes cellulaires
Dans les tissus, les cellules sont intégrées dans des structures tridimensionnelles complexes connues sous le nom de matrice extracellulaire. Leurs interactions biomécaniques jouent un rôle crucial dans de nombreux processus biologiques. Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) ont mis au point un nouveau système de laboratoire sur puce basé sur des structures d'hydrogel intelligentes, qui permet d'appliquer des forces de pression précises aux microenvironnements cellulaires. La méthode récemment présentée pourrait trouver de futures applications dans le diagnostic médical des troubles mécaniques dans les tissus vivants.
Microstructures d'hydrogel sensibles à la lumière intégrées dans un réseau de collagène. La microstructure au premier plan est éclairée par un laser vert, ce qui provoque sa contraction. Le réseau de collagène est ainsi remodelé et des forces sont exercées sur les cellules environnantes.
Copyright: Vicente Salas-Quiroz
La biomécanique des cellules simulée par une méthode de laboratoire sur puce
Le remodelage mécanique du microenvironnement extracellulaire joue un rôle crucial dans les processus biologiques tels que le développement et le maintien de l'équilibre physiologique (homéostasie) et la cicatrisation des plaies. La reproduction de ce phénomène en laboratoire peut permettre de mieux comprendre les causes des changements pathologiques. Cependant, les méthodes instrumentales précédentes ne pouvaient pas être intégrées dans les systèmes de laboratoire sur puce et n'offraient qu'une précision limitée. L'équipe dirigée par le Dr Katja Zieske, chef du groupe de recherche indépendant "Molecular Biophysics & Living Matter" au MPL, présente maintenant une nouvelle méthode qui peut être utilisée pour simuler des perturbations mécaniques contrôlées dans l'espace et dans le temps de réseaux de polymères biologiques sur un système de laboratoire sur puce. Les processus biologiques survenant lors de ces perturbations peuvent ainsi être examinés au microscope.
Des hydrogels intelligents comme micromachines
Les scientifiques utilisent des microstructures d'hydrogel intelligentes. Ces matériaux puissants sont constitués de polymères qui réagissent à des stimuli tels que la lumière ou la température en modifiant leur structure. En fonction du stimulus, ils se contractent ou se dilatent. Les chercheurs du MPL ont tiré parti de ces propriétés pour exercer des forces biomécaniques spécifiquement définies sur des réseaux de polymères biologiques tels que le collagène. En outre, les scientifiques ont pu évaluer la compatibilité du système avec les cellules vivantes.
Tout d'abord, l'équipe de Zieske a produit et optimisé des microstructures d'hydrogel thermosensibles dans des chambres d'écoulement. L'expansion des microstructures d'hydrogel a été testée sous stimulation thermique contrôlée dans le temps afin de comprimer divers réseaux moléculaires, tels que le Matrigel, un mélange de protéines sous forme de gel, et un réseau de collagène. Après la compression, la déformation associée a été mesurée. Alors que le Matrigel se déforme plastiquement, le collagène se détend élastiquement. En imitant les forces de pression cellulaire à l'aide de microstructures d'hydrogel intelligentes, l'équipe de Zieske a mis au point un nouveau système polyvalent à des fins de recherche. Les études futures pourraient se concentrer sur le remodelage de la matrice extracellulaire ainsi que sur les effets des forces mécaniques sur son microenvironnement cellulaire, à la fois dans des contextes physiologiques et pathologiques.
"Notre méthode nous permet de générer des forces mécaniques avec une grande précision spatiale et temporelle, et d'enregistrer leurs effets sur les systèmes biologiques. Dans le collagène, nous avons pu détecter les changements déclenchés par ces forces même à des distances de centaines de micromètres en suivant des microsphères fluorescentes", explique Vicente Salas-Quiroz, premier auteur du travail présenté. "Notre vision est de développer des microstructures intelligentes pour le diagnostic médical afin de contribuer à un système de santé durable - par exemple, dans l'étude des systèmes de modèles cellulaires 3D tels que les modèles de cancer et les modèles de formation de vaisseaux sanguins. Les microstructures d'hydrogel intelligentes dans les systèmes de laboratoire sur puce pourraient servir à l'avenir de micromachines pour manipuler des modèles de tissus à l'échelle du micromètre. Nous voyons là un grand potentiel pour le diagnostic", ajoute M. Zieske.
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