Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

À l'intérieur des parois de nos vaisseaux sanguins se trouve une couche spécialisée de cellules musculaires qui agit comme le régulateur principal du flux sanguin de l'organisme. Ces cellules, connues sous le nom de cellules musculaires lisses vasculaires, sont les gardiennes de la circulation. Lorsqu'elles sont saines et matures, elles restent calmes et fermement contractées, maintenant le vaisseau ouvert avec une prise constante et puissante pour maintenir la pression artérielle. Cependant, lorsque le corps doit réparer des dommages ou lorsqu'une maladie survient, ces mêmes cellules peuvent changer de nature. Elles peuvent relâcher leur emprise, grandir et se multiplier rapidement pour colmater une déchirure ou construire un nouveau tissu. Cette capacité à basculer entre un état contractile stable et un état de croissance actif est vitale pour la santé, mais elle est aussi le moteur de nombreuses pathologies dangereuses, telles que l'affaiblissement et le renflement des artères connus sous le nom d'anévrismes. Pour comprendre comment ces cellules fonctionnent et pourquoi elles échouent parfois, les scientifiques doivent les étudier en laboratoire. Pendant des décennies, les chercheurs se sont appuyés sur le prélèvement de ces cellules directement auprès de donneurs humains, mais cette approche présente un défaut majeur : chaque donneur est différent, et les cellules changent souvent de comportement une fois retirées du corps, ce qui rend difficile de déterminer si un résultat est dû à une maladie spécifique ou simplement à la variation naturelle entre les individus.

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs s'est tournée vers une source plus constante : les cellules souches pluripotentes humaines. Ce sont des cellules maîtresses capables de devenir n'importe quel type de tissu du corps. En guidant ces cellules souches sur un chemin de développement spécifique, les scientifiques ont créé un approvisionnement frais de cellules musculaires lisses vasculaires dans une boîte de culture. L'objectif de leur nouvelle étude était de voir si ces cellules cultivées en laboratoire se comportaient réellement comme les vraies cellules trouvées dans les artères humaines. Ils ont comparé leurs cellules dérivées de cellules souches à des cellules récoltées directement dans des aortes humaines, les gros vaisseaux qui transportent le sang du cœur. Les chercheurs voulaient savoir si les cellules fabriquées en laboratoire pouvaient imiter les deux états principaux des cellules réelles : l'état de croissance actif et l'état contractile calme. Ils voulaient également mesurer la force physique de ces cellules, en vérifiant quelle force elles pouvaient exercer sur leur environnement, un facteur clé de la manière dont les vaisseaux sanguins maintiennent leur forme.

L'équipe a commencé par cultiver ses cellules dérivées de cellules souches et en guidant soigneusement le développement pour qu'elles deviennent du type musculaire lisse. Ils ont découvert que ces cellules pouvaient effectivement basculer entre les deux états. Lorsqu'elles étaient laissées seules, elles agissaient comme la version synthétique et en croissance de la cellule, se multipliant et remplissant l'espace. Lorsque les chercheurs ont ajouté un inhibiteur chimique spécifique à la culture, les cellules ont cessé de se diviser et se sont transformées en le type mature et contractile. Ces cellules traitées sont devenues plus grandes, ont développé des fibres internes plus fortes et ont produit des niveaux plus élevés de protéines responsables de la contraction musculaire. Pour s'assurer que ces cellules cultivées en laboratoire ne faisaient pas que "jouer le rôle" mais agissaient réellement ainsi, l'équipe a mesuré leur force physique. Ils ont placé des cellules uniques sur de minuscules piliers flexibles et ont observé à quel point les piliers pliaient sous l'effet de la traction des cellules. Ils ont également construit de petits tissus tridimensionnels contenant des centaines de cellules et ont mesuré la force collective générée par ces minuscules faisceaux lorsqu'ils se contractaient.

Les résultats ont montré une similitude frappante entre les cellules cultivées en laboratoire et les cellules prélevées sur des donneurs humains. Les deux types de cellules généraient des forces dans une plage comparable, tirant avec une force mesurée en milliardièmes de newton par pilier. Cela a confirmé que les cellules dérivées de cellules souches étaient mécaniquement capables d'accomplir le même travail que les cellules naturelles. Cependant, l'étude a également mis en évidence une différence majeure de fiabilité. Les cellules prélevées directement dans les aortes humaines variaient énormément d'un lot à l'autre. Certains lots étaient riches en cellules musculaires souhaitées, tandis que d'autres contenaient principalement d'autres types de cellules, et leur force ainsi que leur comportement changeaient de manière imprévisible selon l'âge du donneur et la partie spécifique de l'artère concernée. En revanche, les cellules dérivées de cellules souches étaient remarquablement constantes. Chaque lot se comportait de la même manière, répondait au commutateur chimique de la même façon et produisait la même quantité de force.

Les chercheurs ont également testé s'ils pouvaient faire en sorte que les cellules naturelles des donneurs se comportent davantage comme le type mature et contractile en utilisant le même traitement chimique. Ils ont constaté que cela fonctionnait, mais que la réponse était incohérente d'un lot de cellules de donneurs à l'autre. Certains lots réagissaient fortement, devenant beaucoup plus forts et contractiles, tandis que d'autres ne montraient que peu de changement. Cette incohérence rendait difficile l'obtention de conclusions claires en utilisant uniquement les cellules de donneurs. L'étude a conclu que, bien que les cellules provenant de donneurs humains soient utiles, elles présentent trop de "bruit" pour être l'outil parfait pour l'étude de la mécanique des vaisseaux sanguins. Les cellules dérivées de cellules souches, en revanche, offrent un modèle propre et reproductible. Elles peuvent être basculées avec précision entre les états de croissance et de contraction, et génèrent des forces qui correspondent aux cellules humaines réelles. Cela fournit aux scientifiques un outil fiable et standardisé pour étudier le fonctionnement des vaisseaux sanguins, la manière dont ils se dégradent lors de maladies, et comment de nouveaux médicaments pourraient aider à les réparer, sans la confusion de la variation humaine naturelle.