Effets des propriétés biomécaniques (rigidité) du support de culture

Parmi les propriétés qui peuvent influencer l’environnement biomécanique et par conséquent avoir un impact sur la physiologie des cellules, il y a tout d’abord, la rigidité du support de culture sur lequel les cellules sont cultivées. Les tissus cardiaques in vivo ont une rigidité connue (4-11 kPa : rats néonataux, 12-70 kPa : rats adultes et 20-500 kPa : cœur humain) [128], ainsi, les cardiomyocytes vont ressentir un étirement en fonction de la résistance qu’ils auront au phénomène de contraction/relaxation (systole/diastole) [129]. Les cardiomyocytes ont une capacité à s’adapter aux changements, par exemple, de la rigidité de la matrice cellulaire en situation pathologique comme la fibrose, l’infarctus du myocarde, l’hypertrophie cardiaque et le vieillissement qui peuvent conduire jusqu’à l’inhibition complète de la contraction [130]. Il a été montré que les cardiomyocytes en culture conservaient leurs propriétés contractiles plus longtemps s’ils étaient mis en culture sur un substrat d’une rigidité qui ressemble à celle retrouvée in vivo [130]. Un substrat mal adapté (trop mou ou trop rigide) mène à une dégradation et désorganisation structurelle des cardiomyocytes en empêchant la cellule d’atteindre sa pleine maturité via l’implication de la cascade « Rho-associated protein kinase » menant à la formation des « fibres de stress ». La formation de ces « fibres de stress » lorsque les cellules sont mises en culture sur un substrat trop rigide ou trop mou interfère avec le développement et la maturation des cardiomyocytes de rats néonataux [128].

Des protéines impliquées dans la détection de l’étirement ont été identifiées dans le sarcomère (α-actinine) et le complexe costamère (intégrine β1, titine, jonctions adhérentes) [128]. Le costamère fait le lien entre les disques Z et la membrane cellulaire afin de transmettre la force générée à l’ensemble de la matrice extracellulaire. L’intégrine β1 est particulièrement importante pour la régulation des interactions cellules-matrice (protection cytosolique). Les intégrines s’accrochent aux disques Z via des protéines structurelles comme la desmine, la vinculine, la taline, ou la zyxine [130]. La rigidité du substrat affecte également le stress généré à l’intérieur du cardiomyocyte et ceci est un processus adaptatif et dépendant du temps qui affecte la contractilité [130]. Par exemple, les cardiomyocytes de rats néonataux en culture auraient une force de contraction maximale sur un support de 10 kPa [128] et comme la force de contraction est directement liée à l’amplitude de la transitoire calcique, on peut alors

 FRQFOXUH TXH OD G\QDPLTXH FDOFLTXH HVW DIIHFWpH pJDOHPHQW SDU OD ULJLGLWp GX VXEVWUDW /HV H[SpULHQFHV HIIHFWXpHV QH UpYqOHQW SDV VHXOHPHQW TXHOH VWUHVV YD LQKLEHUOD GpJUDGDWLRQ GHV SURWpLQHV VWUXFWXUHOOHV SDU FHUWDLQHV HQ]\PHV PDLV UpYqOHQW pJDOHPHQW TXH O¶H[SUHVVLRQ GHV $51P YDULH DYHF O¶H[SUHVVLRQ SURWpLTXH SXLVTXH SOXVLHXUV IDFWHXUV LPSRUWDQWV GH WUDQVFULSWLRQVRQWpJDOHPHQWUpJXOpVSDUFHVSURWpLQHVVWUXFWXUHOOHV>@

/RUVTXHGHVFHOOXOHVFDUGLDTXHVPLVHVHQFXOWXUHVXUXQVXSSRUWWUqVULJLGHFRPPHOHYHUUH PDWpULHO VWDQGDUG SRXU OD FXOWXUH VH FRQWUDFWHQW  FH VRQW OHV SURWpLQHV G¶DQFUDJH TXL VH GpIRUPHQW&HFLJpQqUHFHUWDLQHVFDVFDGHVGHVLJQDOLVDWLRQSDUH[HPSOHHQOLEpUDQWFHUWDLQV VLWHVGHSKRVSKRU\ODWLRQ>@(QRSSRVLWLRQXQVXSSRUWGHFXOWXUHPRXPRGXOHGH<RXQJ SHWLWH[3'06DXUDWHQGDQFHjOXLPrPHVHGpIRUPHUSOXW{WTXHGHGpIRUPHUOHVSURWpLQHV G¶DQFUDJHVXLWHjXQHFRQWUDFWLRQGHODFHOOXOH$LQVLO¶HIIHWELRORJLTXHVHUDLWLQIOXHQFpSDUOH VXSSRUWVXUOHTXHOODFHOOXOHHVWPLVHHQFXOWXUHILJXUH  )LJXUH(IIHWGHOHQYLURQQHPHQWELRPpFDQLTXHVXUOHVIRQFWLRQVSK\VLRORJLTXHV

Le cytosquelette (α-actinine) de la cellule est représenté en vert, les protéines d’ancrage sont représentées en rouge (complexe costamère : intégrines + protéines structurelles). Lorsqu’une contraction cellulaire se produit, une force ( f ) est appliquée.

Il a été montré que l’organisation des sarcomères habituellement structurée chez les cardiomyocytes de rats adultes isolés était perturbée par l’utilisation de substrats d’une rigidité intermédiaire, soit entre 7 kPa et 255 kPa [129]. Galie et collaborateurs [129] ont également montré que l’inhibition de l’activité phosphatase pouvait bloquer la dégradation du système contractile sur un support d’une rigidité intermédiaire sans toutefois complètement élucider le mécanisme impliqué. Qui et collaborateurs ont montré que les propriétés biomécaniques de la matrice extracellulaire vont affecter le cycle cellulaire et la prolifération des cellules souches résidentes progénitrices (recrutement), diminuer le potentiel de ces cellules progénitrices à se différentier en lignée cardiaque et accélérer le vieillissement cellulaire [133]. Ainsi, les propriétés biomécaniques constituent une cible intéressante à investiguer d’un point de vue thérapeutique dans le traitement de la fibrose cardiaque, par exemple.

Les fibroblastes sont importants pour maintenir la structure et la fonction cardiaque, en effet, le tissu cardiaque doit être suffisamment résistant à la charge de pression, mais assez souple pour permettre l’action de pompage. Il existe une communication croisée entre les cardiomyocytes et les fibroblastes pour maintenir l’homéostasie et assurer un remodelage du cœur en réponse à une augmentation physiologique de la charge (ex. : durant l’exercice) [134]. La structure et les fonctions des iPSCs sont également affectées par les caractéristiques du substrat sur lequel elles sont mises en culture. En effet, Heras-Bautista et collaborateurs [135] ont montré des signes de stress mécanique (augmentation de l’expression de l’actine des muscles lisses alpha) après 5 semaines en culture sur une surface rigide de verre, comparative à une surface en polyacrylamide (55 kPa). La culture sur surface rigide mène à une perte de la fonction contractile. Macri-Pellizzeri et collaborateurs ont montré une différentiation favorisée des iPSC en lignées cardiaques sur une matrice de polyacrylamide (0.6 kPa) avec un revêtement de fibronectine [136].

Ainsi, les caractéristiques de l’environnement biomécanique dans lequel les cellules sont placées doivent être identifiées et doivent reproduire le plus près possible les conditions retrouvées in vivo. C’est d’ailleurs ce sujet qui constituera la nature du premier article inclus

dans cette thèse. De ce fait, deux types de stimulations, retrouvés in vivo, sont importants pour assister le développement de la construction tissulaire : la stimulation électrique (courant) et la stimulation mécanique (étirement) [24].