Effets de la stimulation mécanique

L’environnement biomécanique joue un rôle important dans la fonction des cellules cardiaques et ceci a un grand impact sur le développement physiopathologique cardiaque [156]. Pourquoi est-il intéressant d’étudier l’environnement mécanique des cardiomyocytes?

En fait, ces derniers possèdent des canaux ioniques à la surface de leur membrane. Ces canaux ont comme fonction primaire de laisser passer un flux d’ions (Na+_{, K}+_{, Ca}2+_{,…) de part et} d’autres de la membrane qui peuvent établir des gradients de voltage importants. Il existe différentes classes de canaux ioniques, il y a entre autre les canaux ioniques couplés au voltage qui sont activés par des différences de potentiel électrique de part et d’autre de la membrane, les canaux ioniques activés par la présence d’un ligand dans leur site actif (la liaison du ligand permet l’ouverture ou la fermeture du canal) et finalement, une classe qui nous intéresse plus particulièrement dans le cadre de cette thèse, les canaux sensibles à l’étirement. Une augmentation de volume au niveau du cœur influence la régularité et la fréquence des contractions cardiaques [66]. Au niveau cellulaire, c’est-à-dire au niveau du CM, l’activité électrique est directement reliée à l’activité mécanique par le couplage excitation-contraction. Sachs a montré en 2011 la présence d’une rétroaction mécano-électrique [157] due aux canaux sensibles à l’étirement (CSE). Les CSE sont des canaux ioniques dont l’activation ou l’ouverture est régulée par l’environnement mécanique (étirement, pression, stress mécanique). Ces canaux jouent un rôle très important dans l’adaptation électrophysiologique des cardiomyocytes face à un stress mécanique [158, 159] en transformant ce signal mécanique en signal électrique ou biochimique [160]. Les cellules cardiaques sont assujetties à subir des changements dynamiques au niveau de l’étirement et du stress mécanique au cours de la contraction musculaire et du remplissage-expulsion du sang [161]. Il a été démontré aussi bien dans des cardiomyocytes isolés de souris, d'humain, de rat et de cochon d'Inde que dans des cellules provenant de ventricule de rat et de grenouille ou que dans des coeurs isolés de lapin, de chien et de cochon d'Inde qu'un étirement mécanique peut induire une dépolarisation du potentiel de repos membranaire [162]. La majorité du temps, la dépolarisation est proportionnelle au pourcentage d’étirement appliqué [162]. Toutefois, une exception a été observée pour les cellules ventriculaires du cochon d’Inde qui en réponse à un étirement important induisent une hyperpolarisation probablement due à l’augmentation de la conductance du potassium suite à l’augmentation du [Ca2+_{]i [163]. En résumé, les CSE sont} répandus dans plusieurs types cellulaires et ils ont pour fonction de répondre aux perturbations mécaniques comme la régulation du volume, l’augmentation du calcium, l’activité électrique cardiaque… Les effets des CSE peuvent être bloqués par des composés comme le gadolinium

(Gd3+_{) (peu spécifique) ou plus spécifiquement par une toxine provenant de la tarentule} Chilean Rose (GsMTx4) [164].

Il existe premièrement des étirements qu’on dit statiques (aigus ou chroniques), selon Riemer et Tung en 2013, un haut niveau d’étirement pourrait induire des extrasystoles et de l’activité spontanée dans certaines cellules isolées ventriculaires de grenouille [165]. Stacy et collaborateurs ont également montré qu’un étirement augmentait l’incidence de cas arythmiques [166]. Les chercheurs semblent s’entendre sur le fait que la durée du PA est diminuée au début de la repolarisation, mais augmentée vers la fin de repolarisation suite à l’application d’un étirement [167]. L’effet semble varier entre les études, ceci est probablement dû à la modulation du Ca2+ _{dans la réponse du muscle cardiaque suite à} l’étirement (puisqu’en présence d’un tampon de Ca2+_{, nous observons l’effet inverse) [162].} Quant à la stimulation à plus long terme, des études ont démontré des effets importants durant le développement cardiaque. Un étirement statique de cellules souches embryonnaires de 10 % durant quelques heures induit une augmentation des marqueurs cardiaques MEF2 et GATA-4 et augmente les taux de cellules qui se contractent de façon spontanée [128].

Il existe également un étirement qu’on dit cyclique, c’est-à-dire qu’il fait des allers retours mimant l’activité contractile cardiaque. Une activité cyclique chronique (5 % à 1 Hz durant 48 h) est associée avec une orientation des cellules parallèlement au champ d’étirement et une contraction plus prononcée. Un des joueurs potentiel du réalignement des cardiomyocytes serait TRPV4, car son inhibition par les antagonistes RN1734 & HC067047 lors d’une stimulation cyclique dans des PSCs dérivés en CM bloque ce réalignement, toutefois la stimulation de TRPV4 avec l’agoniste 4-α-PDD n’est pas suffisante pour induire ce changement d’orientation [168]. La stimulation mécanique cyclique a induit une augmentation de la troponine cardiaque de type T, de la tropomyosine, de la Cx-43 et du facteur GATA4 [169]. Nguyen et collaborateurs ont montré qu’un étirement cyclique (8-15 % à 2 Hz durant 4 jours) de CM de poulet embryonnaires accélérait la fréquence de contraction et améliorait la réponse à l’isoprotérénol du feuillet cellulaire [170]. Finalement, Banerjee et collaborateurs ont aussi démontré qu’un étirement cyclique de 16 % à 1 Hz pendant 24 h était suffisant pour augmenter la prolifération de cardiomyocytes embryonnaires de souris, de même que leur

taille et l’expression de certains myofibrilles (environ 60 % d’augmentation de la titine et environ 40 % de la chaîne lourde de la myosine) [171].

De manière générale, l’étirement provoque l'ouverture des canaux dépolarisant la cellule au repos par l'entrée de Na+ _{et de Ca}2+_{. L'entrée de Ca}2+ _{accentue l'entrée de Na}+ _{via NCX qui} dépolarise le potentiel membranaire parfois jusqu’au seuil initiant le PA [172]. L’étirement peut induire des extrasystoles et de l’activité spontanée dans les CM ventriculaires [165]. Il produit une augmentation de IK1 via une surexpression des canaux K+ _{à rectification entrante} et ce remodelage est responsable du raccourcissement de la durée du PA dans des CM auriculaires [173]. Un étirement chronique augmentera If via une surexpression de HCN2 [41] et pourrait ainsi produire un PA qui proviendrait purement d’une activation mécanique. Il a également été montré que des CM soumis à un étirement du support flexible de culture (in vitro) ou à une surcharge de volume (in vivo) vont modifier l’expression de certaines protéines, facteurs de croissance et cytokines, favorisant le développement de l’hypertrophie cardiaque [53]. L'hypertrophie cellulaire peut faire varier la fréquence autonome par le prolongement du PA [174], l'augmentation de la capacité membranaire et la diminution de ICaL[175]. Un étirement uniaxial cyclique de 10% module la propagation électrique en surexprimant Cx-43 produisant une augmentation de la vitesse de conduction [24, 53]. Cet étirement uniaxial cyclique module également l’expression des protéines de jonction mécanique (ex. : N-Cadherine, desmoplakin, plakoglobin) via l’activation des « focal adhesion kinase (FAK)» [24]. L’activation de FAK ainsi que de RhoA initie la formation de myotubes ce qui favorise le développement de la matrice extracellulaire et ceci contribue à améliorer le niveau de l’organisation cellulaire [176]. Ainsi, la stimulation mécanique favorise un alignement ordonné des cellules cardiaques parallèlement avec le sens de l’étirement [24] et conséquemment, améliore la force de contraction [176, 177]. Toutefois, la variation de la fréquence de la stimulation mécanique ne semble pas avoir d’impact sur cette force de contraction, mais semble plutôt influencer l’expression de certaines protéines du couplage cellule-cellule [176]. Au niveau du génie tissulaire, l’application de la stimulation mécanique cyclique améliore la fonction contractile, l’alignement des cardiomyocytes le long de l’axe d’étirement et l’expression des marqueurs cardiaques [169]. La stimulation mécanique devient

un élément essentiel pour optimiser le tissu de remplacement produit in vitro dans le but de réparer ou de remplacer un tissu cardiaque endommagé.