{"id":9719,"date":"2023-03-07T13:51:52","date_gmt":"2023-03-07T18:51:52","guid":{"rendered":"https:\/\/mrm.research.mcgill.ca\/2023\/03\/mrm-insights-a-case-for-mechanically-defined-matrices\/"},"modified":"2023-03-09T11:48:24","modified_gmt":"2023-03-09T16:48:24","slug":"mrm-insights-limportance-des-matrices-mecaniquement-definies","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/mrm.research.mcgill.ca\/fr\/2023\/03\/mrm-insights-limportance-des-matrices-mecaniquement-definies\/","title":{"rendered":"MRM Insights : L’importance des matrices m\u00e9caniquement d\u00e9finies"},"content":{"rendered":"
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Dr Joseph Matt Kinsella<\/p><\/div>\n

Chaque mois, dans les\u00a0MRM Insights<\/a><\/strong>, un membre du R\u00e9seau MRM \u00e9crit sur les cellules souches et la m\u00e9decine r\u00e9g\u00e9n\u00e9rative d\u2019un point de vue diff\u00e9rent. Ce mois-ci, le Dr J. Matt Kinsella<\/strong>, Professeur agr\u00e9g\u00e9 au D\u00e9partement de g\u00e9nie biologique, nous parle de l’importance des matrices m\u00e9caniquement d\u00e9finies<\/strong>.<\/p>\n

L’importance des matrices m\u00e9caniquement d\u00e9finies<\/h2>\n

Les matrices et leur structure jouent un r\u00f4le essentiel dans le soutien physique et le guidage par contact de la migration, de la diff\u00e9renciation et de la prolif\u00e9ration cellulaires pendant la r\u00e9g\u00e9n\u00e9ration tissulaire. Les cellules vivantes sont dans un \u00e9change continu dynamique avec leur environnement. Comprendre comment les cellules r\u00e9pondent aux stimuli externes est une question fondamentale en biologie cellulaire et qui a des r\u00e9percussions sur le d\u00e9veloppement, la migration cellulaire collective et leur motilit\u00e9 ou m\u00eame l\u2019\u00e9mergence de maladies. Les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques des matrices, y compris la rigidit\u00e9 et la porosit\u00e9, sont connues pour avoir un impact significatif sur la fa\u00e7on dont les cellules interagissent de fa\u00e7on dynamique et r\u00e9ciproque avec leur environnement. Nous pr\u00e9sentons ici un cas simplifi\u00e9 pour comprendre la relation entre les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques d\u2019une matrice et les cons\u00e9quences biologiques en tant que crit\u00e8re essentiel de conception.<\/p>\n

Une approche physique et math\u00e9matique d\u00e9taill\u00e9e de la conception matricielle, avec une consid\u00e9ration sp\u00e9cifique donn\u00e9e \u00e0 la capacit\u00e9 des mat\u00e9riaux de matrice \u00e0 \u00eatre utilis\u00e9s comme \u00ab bioencres \u00bb charg\u00e9es de cellules pour la bioimpression 3D est pr\u00e9sent\u00e9e dans les publications suivantes de notre groupe [1,2]. Dans ces exemples, il est d\u00e9montr\u00e9 que l\u2019\u00e9lasticit\u00e9 de la matrice joue un r\u00f4le essentiel dans la viabilit\u00e9 cellulaire, la formation et la progression des sph\u00e9ro\u00efdes [3, 4, 5].<\/p>\n

L\u2019effet de l\u2019\u00e9lasticit\u00e9 sur la fonction cellulaire repose sur l\u2019expression de prot\u00e9ines, telles que les int\u00e9grines et les prot\u00e9ines de complexes d\u2019adh\u00e9sion focale en aval, qui sont d\u00e9tect\u00e9es et transduites en signaux m\u00e9caniques et biochimiques dans des voies sp\u00e9cifiques [4]. Le noyau n\u00e9crotique qui se d\u00e9veloppe \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur des sph\u00e9ro\u00efdes d\u00e9pend des limitations du transport des nutriments et de l\u2019oxyg\u00e8ne. Les sph\u00e9ro\u00efdes avec des diam\u00e8tres allant de 200 \u00e0 500 \u03bcm sont assez grands pour d\u00e9velopper des gradients chimiques, tandis que les sph\u00e9ro\u00efdes de plus de 500 \u03bcm de diam\u00e8tre d\u00e9veloppent une n\u00e9crose secondaire centrale o\u00f9 les cellules internes meurent par apoptose ou n\u00e9crose.<\/p>\n

Les sph\u00e9ro\u00efdes d\u2019un diam\u00e8tre de moins de 150 \u03bcm sont fr\u00e9quemment utilis\u00e9s pour les tests de m\u00e9dicaments et peuvent \u00eatre suffisants pour pr\u00e9senter des interactions 3D cellule-cellule et cellule-matrice, mais ne sont pas assez grands pour pr\u00e9senter des gradients d\u2019oxyg\u00e8ne avec des r\u00e9gions hypoxiques ou des gradients de prolif\u00e9ration. \u00c9quilibrer les limitations de transport avec les propri\u00e9t\u00e9s intrins\u00e8ques de la matrice permet aux m\u00e9canismes de contr\u00f4le de moduler la croissance des cellules, leur taux de prolif\u00e9ration, la formation de sph\u00e9ro\u00efde ou d’organo\u00efde et, dans le cas des cellules souches (voir ci-dessous), les m\u00e9canismes qui influencent leur diff\u00e9renciation.<\/p>\n

Quel r\u00f4le la rigidit\u00e9 a-t-elle sur la prolif\u00e9ration cellulaire ?<\/h5>\n

L\u2019une des relations les plus \u00e9tudi\u00e9es entre les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques de la matrice et le comportement cellulaire est l\u2019effet de la rigidit\u00e9 matricielle sur la prolif\u00e9ration cellulaire. La rigidit\u00e9 m\u00e9canique de la matrice peut \u00eatre quantifi\u00e9e par son module, d\u00e9fini comme le rapport contrainte\/d\u00e9formation. La prolif\u00e9ration cellulaire est fortement influenc\u00e9e par la rigidit\u00e9 de la matrice et les voies de diff\u00e9renciation sont d\u00e9finies en partie par la rigidit\u00e9 de la niche ou de la matrice artificielle.<\/p>\n

Les cellules ont tendance \u00e0 pr\u00e9senter des taux de prolif\u00e9ration plus \u00e9lev\u00e9s sur des matrices plus rigides que sur des matrices plus souples. Cette relation a \u00e9t\u00e9 observ\u00e9e dans divers types de cellules, y compris les cellules souches m\u00e9senchymateuses (CSM), les fibroblastes dermiques humains et les ost\u00e9oblastes [6]. Cette relation peut \u00eatre mod\u00e9lis\u00e9e \u00e0 l\u2019aide d\u2019une \u00e9quation de loi de puissance, o\u00f9 le taux de prolif\u00e9ration cellulaire (P) est proportionnel \u00e0 la rigidit\u00e9 de l\u2019\u00e9chafaudage (S) \u00e9lev\u00e9e \u00e0 un exposant de la loi de puissance (n) et multipli\u00e9e par une constante (K). L\u2019\u00e9quation peut \u00eatre exprim\u00e9e comme suit:<\/p>\n

P=KSn<\/sup><\/em><\/p>\n

O\u00f9 n varie selon les types de cellules et les mat\u00e9riaux de la matrice.<\/p>\n

Quel r\u00f4le la rigidit\u00e9 a-t-elle sur la diff\u00e9renciation cellulaire ?<\/h5>\n

En plus d\u2019affecter la prolif\u00e9ration cellulaire, la rigidit\u00e9 de la matrice a un impact sur la diff\u00e9renciation cellulaire. La diff\u00e9renciation cellulaire fait r\u00e9f\u00e9rence au processus par lequel les cellules acqui\u00e8rent des fonctions sp\u00e9cifiques et se sp\u00e9cialisent en un tissu particulier comme la diff\u00e9renciation ost\u00e9og\u00e9nique des CSM lorsque les cellules sont cultiv\u00e9es sur des matrices plus rigides par rapport \u00e0 des matrices plus souples [7]. Cette relation peut \u00eatre attribu\u00e9e \u00e0 la r\u00e9gulation ou l’activation des voies de signalisation m\u00e9caniques en r\u00e9ponse \u00e0 la rigidit\u00e9 de la matrice [8]. L\u2019organisation et les interactions du cytosquelette et de la matrice extracellulaire (MEC), qui sont des composants cruciaux de ces voies de signalisation m\u00e9caniques, sont largement influenc\u00e9es par la rigidit\u00e9 de la matrice.<\/p>\n

Quel r\u00f4le joue la rigidit\u00e9 sur la synth\u00e8se de la matrice extracellulaire ?<\/h5>\n

Les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques des matrices affectent \u00e9galement la synth\u00e8se de la MEC, qui est un facteur critique dans la prolif\u00e9ration et la diff\u00e9renciation cellulaire. La MEC fournit des indices physiques et biochimiques aux cellules, y compris des voies de signalisation m\u00e9caniques. Il a \u00e9t\u00e9 d\u00e9montr\u00e9 que la rigidit\u00e9 de la matrice et ses propri\u00e9t\u00e9s visco\u00e9lastiques influencent la synth\u00e8se de prot\u00e9ines structurelles de la MEC et en bout de cha\u00eene, leur organisation.<\/p>\n

Le d\u00e9p\u00f4t de collag\u00e8ne, un composant important de la MEC, est augment\u00e9 sur les matrices plus rigides par rapport aux matrices plus souples. Cette relation peut \u00e9galement \u00eatre mod\u00e9lis\u00e9e \u00e0 l\u2019aide d\u2019une \u00e9quation de loi de puissance similaire, o\u00f9 la quantit\u00e9 de collag\u00e8ne d\u00e9pos\u00e9e par les cellules (C) est proportionnelle \u00e0 la rigidit\u00e9 de la matrice (S) \u00e9lev\u00e9e \u00e0 un exposant de la loi de puissance (n) et multipli\u00e9e par une constante (K). L\u2019\u00e9quation peut \u00eatre exprim\u00e9e comme suit:<\/p>\n

C=KSn<\/sup><\/em><\/p>\n

O\u00f9 n varie selon les types de cellules et les mat\u00e9riaux de la matrice.<\/p>\n

Au fur et \u00e0 mesure que la culture cellulaire 3D et les mod\u00e8les in vitro bio-imprim\u00e9s gagnent en acceptation, l\u2019int\u00e9r\u00eat pour la (m\u00e9cano)r\u00e9ciprocit\u00e9 dynamique peut \u00eatre pens\u00e9e non seulement par l\u2019ajout de facteurs chimiques d\u00e9finis, mais aussi par la s\u00e9lection des mat\u00e9riaux.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences<\/em><\/h3>\n

[1] Jiang, Tao, et al. \u00ab\u00a0Engineering bioprintable alginate\/gelatin composite hydrogels with tunable mechanical and cell adhesive properties to modulate tumor spheroid growth kinetics.\u00a0\u00bb Biofabrication 12.1 (2019): 015024.<\/em>
\n[2] Jiang, Tao, et al. \u00ab\u00a0Extrusion bioprinting of soft materials: An emerging technique for biological model fabrication.\u00a0\u00bb Applied Physics Reviews 6.1 (2019): 011310.<\/em>
\n[3] Guzman A, Ziperstein M J and Kaufman L J 2014 The effect of fibrillar matrix architecture on tumor cell invasion of physically challenging environments Biomaterials 35 6954\u201363<\/em>
\n[4] Yeh Y C, Ling J Y, Chen W C, Lin H H and Tang M J 2017 Mechanotransduction of matrix stiffness in regulation of focal adhesion size and number: reciprocal regulation of caveolin-1 and beta1 integrin Sci. Rep. 7 15008<\/em>
\n[5] Paszek M J et al. 2005 Tensional homeostasis and the malignant phenotype Cancer Cell 8241\u201354<\/em>
\n[6] Steward, Andrew J., and Daniel J. Kelly. \u00ab\u00a0Mechanical regulation of mesenchymal stem cell differentiation.\u00a0\u00bb Journal of anatomy 227.6 (2015): 717-731.<\/em>
\n[7] Titushkin, Igor, and Michael Cho. \u00ab\u00a0Modulation of cellular mechanics during osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells.\u00a0\u00bb Biophysical journal 93.10 (2007): 3693-3702.<\/em>
\n[8] Arnsdorf, Emily J., et al. \u00ab\u00a0Mechanically induced osteogenic differentiation\u2013the role of RhoA, ROCKII and cytoskeletal dynamics.\u00a0\u00bb Journal of cell science 122.4 (2009): 546-553.<\/em><\/p>\n

Cr\u00e9dit photo\u00a0<\/strong>: \u201cGastric patient tumor organoid within a mechanically-defined tissue-like matrix\u201d, avec l\u2019aimable autorisation de Salvador Flores-Torres.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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