2.2- Impact des modifications géométriques

L‘influence des modifications géométriques du support a été étudiée, grâce au développement d'une nouvelle méthode de création des nanostructures sur les surfaces comme les montre la figure 38 où des différentes nano-topographies sont présentées (figure 38 a : nano-lignes, figure 38 b : nano-îlots). La forme de la surface, en terme de nanostructures, a été montré pour planifier un rôle important de poursuite de l'évolution cellulaire, en vue qu‘elles ensemble influencent la forme cellulaire. Comme par exemple, Hsu et al., ont développé deux supports différents, le premier présente des sillons dans lequel le cytosquelette des cellules aura tendance à s‘organiser en parallèle, leur conférant une morphologie allongée, alors que le deuxième est développé avec des îlots susceptible de confiner les cellules et de les maintenir arrondis (Figure 38) [240, 241] comme montré par Cheng et al.[238].

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Figure 38: Micrographies optiques (a) [237] et images de fluorescence (b) [238] respectivement sur le support

présentant les sillons et le support présentant les îlots montrant la différence de forme des cellules.

Les CSMs, selon que leur forme est arrondie ou aplatie se différencient davantage en adipocytes ou en ostéoblastes lorsqu‘on les expose à un milieu contenant les facteurs de différenciation des deux types cellulaires. En effet, Zhang et al. ont montré que les cellules cultivées sur de larges îlots s‘étalent et présentent des marqueurs plus spécifiques de la lignée ostéoblastique alors que celles qui sont confinées sur de petits îlots s‘orientent préférentiellement vers la voie adipocytaire. En plus, les cellules maintenues dans une forme arrondie, et dont le cytosquelette subi peu de tension, conservent plus longtemps leur caractère multipotent [239]. Alors la forme des cellules modifie l‘organisation du cytosquelette ce qui facilite l‘une ou l‘autre voie de différenciation.

Donc et comme présentée plus haut, géométrie du support (la structure et les motifs du support) vont donc être importants puisqu‘ils influencent à la fois la forme des cellules et l‘affinité de la cellule avec son ligand qui à son tour module le degré de tension exercée sur son cytosquelette. Tous ces paramètres combinés orientent le comportement cellulaire et prédéterminent le destin de la cellule.

Lee et al., ont associé certaines cellules exprimant des marqueurs d‘ adipogenèse (p-par γ) et de la neutrogenèse (beta3 tubulline). La figure 39 montre que les cellules qui adoptent une morphologie arrondie la plupart du temps ont tendance d‘exprimer des marqueurs adipogéniques, alors que les cellules qui ont une morphologie étendue (allongée) et ont une tendance à l‘étalement cellulaire montrent une expression plus élevée des marqueurs de neurogenèse [240].

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Figure 39: Combinaison de caractéristiques géométriques et de ligands d'adhésion orientant la différenciation

vers des lignées adipocytaires et neuronales [240].

L‘hypothèse de cette équipe est illustrée dans la figure 40. Cette figure présente le destin des CSMs sur un hydrogel polyacrylamide mince avec ou sans des contraintes géométriques. Il a été démontré que dans le cas où il y a des géométries identiques dans toutes les directions, l‘étalement cellulaire est limité favorisant une grande expression des marqueurs adipogéniques par rapport aux cellules qui peuvent se propager.

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Figure 40: L‘étalement cellulaire affecte le degré de spécification de la lignée adipogénique et neurogénique

[240].

(A) images d'immunofluorescence de CSMs adhérents sur des substrats non patternés avec de fibronectine montrant des cellules rondes et autres étalées. (B) Expression des marqueurs adipogéniques (gauche, PPAR γ) et neurogéniques (droite beta3 tubulin) démontrant l‘influence de l‘étalement sur la différenciation cellulaire.

Des efforts significatifs ont été dirigés vers la compréhension des facteurs qui influencent la différenciation des CS vers une lignée ou vers une autre. Kilian et al ont publié un travail très intéressant en 2010, où ils ont montré qu'avec la même chimie de surface, des différentes différenciations de CS pouvaient être obtenues et plus précisément, l‘ensemble de ce travail souligne que la forme cellulaire, indépendante des facteurs solubles, a une forte influence sur la différenciation des CSMs humaines de la MO [241]. Suite à l‘exposition des cellules cultivées en forme rectangulaire avec des ratios (longueur/largeur) croissants et des cellules présentant une symétrie pentagonale mais des courbures subcellulaires différentes (forme de fleur, forme pentagonale, forme d‘étoile), à des signaux de différenciation solubles concurrents, elles montrent des différentes orientations soit adipogéniques, soit ostéogéniques (figue 41 A et B).

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Figure 41: (A) Pourcentage de cellules en forme rectangulaire et de ratio croissant différenciées en ostéoblastes

ou adipocytes. (B) Pourcentage de cellules en forme de fleur, forme pentagonale et forme d‘étoile différenciées en l‘un ou l‘autre des deux lignées [241]

Ainsi, Les résultats de ce travail révèlent que les caractéristiques géométriques qui augmentent la contractilité de l'actomyosine (myosine IIa qui est la protéine motrice primaire responsable de la contractilité cellulaire) et par suite la contractilité du cytosquelette favorisent l'ostéogenèse. Ces résultats sont compatibles avec des observations précédentes démontrant que les substrats rigides favorisent l‘ostéogenèse [186,245]. La figure 42 A montre qu‘une forme circulaire des cellules favorise l‘adipogenèse tandis que les cellules ayant une augmentation de contractilité de cytosquelette favorisent l‘ostéogénèse, cette différence du destin de ces deux formes de cellules est approximativement similaire de celle observée dans le cas des cellules en forme d‘étoile (ostéogenèse) et de fleur (adipogenèse) où le chemin (en termes de mécanotransduction) de la différenciation en ostéogenèse des cellules en forme d‘étoile est représenté dans la figure 42 B .

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Figure 42: Destin de differenciation cellulaire selon la contractilté des cellules.Images d‘immunofluorescence

de localisation de Myosin IIa de forme circulaire et contractile des cellules (A : gauche), pourcentages de différenciation des cellules de deux formes (A: droite). (B) voie ostéogénique des cellules contractiles (forme étoile par exemple) en favorisant l‘activation de JNK (c-Jun N-terminal kinase) et de ERK1/2 (extracellular related kinase) associée à une élévation de la signalisation Wnt (winglesstype) [244].

IV.3- Modifications biologiques

La modification biologique ou biofonctionnalisation agit au niveau protéique pour contrôler les différentes réponses cellulaires et tissulaires. Elle s‘effectue par la fixation des protéines d‘adhérence (ex: la FN…) ou des motifs peptidiques (tableau 13) reconnus spécifiquement par des récepteurs cellulaires (ex : les Ig comme αvβ3) favorisant par suite la fixation des cellules sur le support [243].

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Tableau 13: Quelques séquences peptidiques capables de promouvoir l‘adhésion, la prolifération et la

différenciation cellulaire [244]. RGD Arg-Gly-Asp REDV Arg-Glu-Asp-Val SVVYGLR Ser-Val-Val-Tyr-Gly-Leu-Arg YIGSR Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg WQPPRARI Trp-Gln-Gln-Pro-Pro-Arg-Ala-Arg-Ile