Contrôle du comportement cellulaire :

Le microenvironnement cellulaire est crucial pour la régulation du comportement cellulaire et de la fonction des tissus. Les signaux distincts du microenvironnement, y compris les facteurs chimiques, biologiques, mécaniques et électriques, influent collectivement sur le comportement cellulaire dont, l'adhésion, la prolifération, la différenciation et la migration des cellules. Les fibres électrofilées qui fournissent une imitation proche de la matrice extra cellulaire (MEC) offrent un environnement plus propice au contrôle du comportement cellulaire.

1.4.2.1 Adhésion cellulaire :

Il existe de nombreuses preuves que la composition des fibres joue un rôle important dans l'adhésion et la prolifération cellulaire [100]. Contrairement aux polymères synthétiques tels que PCL, PLA et PLGA, les polymères naturels tels que le collagène, la gélatine, la fibronectine, l'AH et le chitosan offrent des sites d'interaction spécifiques avec les cellules via des récepteurs d'adhésion à la surface cellulaire appelés intégrines, et soutiennent l'adhésion et la prolifération cellulaire.

Le revêtement de surface de polymères naturels, des peptides, des facteurs de croissance et du plasma riche en plaquettes peuvent améliorer davantage l'adhésion cellulaire en utilisant l'électrofilage coaxial ou une modification de la surface [101]. Par exemple, l'acide arginine-glycine-aspartique (RGD), un peptide dérivé de la séquence d'adhésion cellulaire de la fibronectine, a été largement utilisé pour ajuster l'adhésion

cellulaire [102]. Cependant, ce peptide conduit à une adhésion de tous les types de cellules, sans spécificité.

À cette fin, une plus grande attention a été accordée à la fonctionnalisation des fibres électrofilées avec des peptides d'affinité spécifique. Des chercheurs ont rapporté, la préparation en une étape de fibres PLGA/PEO en étoiles (20:1) [103]. L'immobilisation subséquente de peptides GRGDS a spécifiquement activé l'adhésion cellulaire par l'identification sélective des motifs de liaison immobilisés.

1.4.2.2 Prolifération/expansion cellulaire :

La difficulté de l'expansion des cellules ex vivo en nombres cliniquement pertinents représente le principal obstacle à la thérapie cellulaire. Il a été supposé, que les fibres électrofilées avec fonctionnalisation de surface simulant le maillage ou réseau 3D complexe de la MEC pourraient servir de niche pour réguler la prolifération cellulaire. La prolifération des cellules corrigées avec des gènes modifiés est entravée par la réduction du phénotype de prolifération (RPP). Des chercheurs ont démontré que certaines cellules HCT116-19 avec un gène de protéine fluorescente verte (eGFP) intégré, mutée et améliorée, sur des échafaudages en fibre PCL recouverts de polylysine ou fibronectine [104]. Les échafaudages en fibres électrofilées semblaient restaurer l'activité de la fourche de réplication, améliorer l'inversion du RPP et augmenter le potentiel de l'édition de gènes pour des applications thérapeutiques.

Dans une autre étude, des mailles de fibres aminées présentaient l'efficacité d'expansion la plus élevée pour des cellules souches/progénitrices hématopoïétiques (CD34+CD45+) comparativement aux fibres et films de poly(éthersulfone) (PES) non modifiés, hydroxylés et carboxylés [105]. Cependant, les mécanismes précis de promotion de la prolifération cellulaire restent à élucider.

Après l'expansion, la façon de recueillir les cellules pour la thérapie n'a pas encore été entièrement étudiée. Les fibres de poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) avec des modifications de surface pourraient servir de meilleure plateforme pour l'expansion de ces cellules car elles peuvent être facilement collectées par simple changement de la température après culture.

1.4.2.3 Différenciation cellulaire :

La thérapie par cellules souches offre des perspectives intéressantes pour améliorer l'efficacité du traitement de nombreuses maladies. Cependant, quel que soit le type de cellules souches, le pauvre contrôle de la différenciation cellulaire demeure un problème majeur. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de disposer de supports optimaux capables d'orienter la différenciation des cellules souches en lignées spécifiques pour la régénération tissulaire. La taille des fibres est un facteur qui influence la différenciation cellulaire [106]. L'alignement des fibres est un autre facteur qui fournit des repères topographiques pour diriger la différenciation cellulaire [107]. Les échafaudages constitués de fibres alignées ont induit une différenciation in vitro des CSMs en ténocytes, et la formation de tissus tendineux après l'implantation in vivo. D'autre part, les échafaudages en fibres aléatoires ont favorisé l'ostéogenèse des CSMs in vitro, ainsi que l'ossification des tissus et la formation osseuse au site de la lésion [108].

Les propriétés mécaniques des fibres électrofilées est un autre facteur important qui peut réguler la différenciation des cellules souches. Par exemple, les fibres électrofilées souples soutenaient la chondrogénèse des cellules progénitrices mésenchymateuses embryonnaires, et les fibres rigides offraient un microenvironnement plus approprié pour la différenciation ostéogénique [109]. De plus, il a été démontré que la stimulation mécanique en conjugaison avec l'alignement des fibres électrofilées était suffisante pour entraîner la différenciation des CSMs [110].

Il est particulièrement intéressant de noter que le signal électrique peut réguler l'adhésion, la prolifération et la différenciation des cellules [111] et faciliter la régénération des tissus nerveux, cardiaques et des muscles squelettiques [112-113].

Plus important encore, les échafaudages en fibres fonctionnalisés, dotés d’une livraison soutenue de signaux biologiques appropriés [114-115], peuvent améliorer considérablement la différenciation des cellules souches sur une longue période d'exposition.

Afin d'obtenir un contrôle précis de la différenciation des cellules souches, d'autres études pourraient envisager l'administration séquentielle de biomolécules multiples à partir d'échafaudages de fibres. Une autre orientation future pourrait envisager la fonctionnalisation spatiale de facteurs de croissance spécifiques afin de compartimenter

la différenciation des cellules souches pour la régénération des interfaces, comme le site d'insertion tendon/cartilage-à-os.

1.4.2.4 Migration cellulaire :

La migration cellulaire joue un rôle majeur dans le développement embryonnaire, la réponse immunitaire, la cicatrisation des plaies, la progression de cancer et la régénération des tissus [116]. L’orientation topographique est essentielle pour la migration cellulaire. Les fibres électrofilées alignées ont amélioré la migration cellulaire le long de la direction de l'alignement des fibres par rapport aux fibres aléatoires [117-118]. Des transplantations ultérieures d'échafaudages de fibres alignées dans le site de la lésion ont permis une validation in vivo. Par exemple, un hydrogel en fibrine alignée a induit une migration rapide des cellules neurales endogènes pendant une réparation des lésions de la moelle épinière [119] et favorisé une migration rapide des cellules de Schwann pendant une réparation du nerf périphérique [120].

Un échafaudage innovant composé de fibres alignées radialement a été développé par Xie et al 2010 [121] (Fig. 6. Aii). Des fibroblastes cultivés à la périphérie de fibres radialement alignées ont été allongés et leur migration le long des fibres alignées vers le centre de l'échafaudage a été fortement accélérée (Fig. 6. Aiii-vi). De plus, un arrangement élevé de collagène de type I a été observé, ce qui confirme une application potentielle des échafaudages de fibres alignés radialement pour la réparation durale et la cicatrisation des plaies. Pour comprendre le mécanisme, la migration des cellules en réponse à différentes géométries de fibres a été expliquée par une simple lecture mécanique de la géométrie [122].

Outre la topographie, les propriétés mécaniques affectent également la migration cellulaire. Dans le cadre d'une étude portant sur la migration des tumeurs cérébrales malignes, des fibres électrofilées en système noyau-gaine à alignement uni-axial comme modèles in vitro, imitant les voies topographiques de la substance blanche, ont été développées [123]. Les fibres de PCL et des fibres préparées en système noyau-gaine ; gélatine-PCL, PES-PCL et Polydiméthylsiloxane (PDMS)-PCL, ont donné des modules mécaniques très différents de 7.9 MPa, 2.4 MPa, 28.6 MPa et 33.3 MPa, respectivement. Les cellules de glioblastomes GBM (OSU-2) provenant de patients ont montré la vitesse de migration la plus rapide sur les fibres à module intermédiaire (fibres PCL), et une

vitesse de migration plus lente sur les fibres à module inférieur (fibres gélatine-PCL) et à module supérieur (fibres PES-PCL et PDMS-PCL), indiquant que le glioblastome multiforme est sensible aux propriétés mécaniques des fibres.

Figure 6 : Fibres électrofilées pour la migration cellulaire.2

Bien que de nombreux efforts aient été consacrés à l'induction de la migration cellulaire, très peu de succès ont été obtenus dans la réparation endogène. Il reste encore à mettre au point des échafaudages de fibres pouvant favoriser le recrutement des cellules souches. A l'avenir, les échafaudages en fibres dotés de facteurs chimiotactiques séquentiels et de facteurs de différenciation, pourraient être idéaux pour la régénération endogène. La libération séquentielle pourrait fournir des indices instructifs pour guider la migration des cellules souches vers le site de la lésion, suivie d'une différenciation spécifique, menant à la régénération tissulaire in situ.

2 (A). Fibres alignées radialement comme substituts pour la fermeture de la plaie [121]. (B). Gradients continus de SDF1α incorporés dans les fibres orientées radialement pour guider les cellules souches neurales. La ligne en pointillée indique la limite des cellules souches neurales après l’ensemencement au jour 0 [127].