Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

Les tendons sont ces tissus robustes, semblables à des cordes, qui relient le muscle à l'os, nous permettant de bouger avec force et précision. À l'intérieur de ces tissus, des cellules spécialisées appelées fibroblastes tendineux agissent comme une équipe de construction, bâtissant et réparant constamment la matrice extracellulaire. Cette matrice est un échafaudage complexe de protéines, principalement du collagène, qui donne au tendon sa structure et sa capacité à résister à la force. Pour que ces cellules puissent accomplir leur tâche correctement, elles doivent être capables de percevoir l'environnement physique qui les entoure. Elles ressentent la rigidité des matériaux dans lesquels elles sont enchâssées et ajustent leur comportement en conséquence. Si l'environnement est trop mou ou trop dur, ou si les cellules sont piégées d'une manière qui les empêche de bouger, le travail de construction peut mal tourner, entraînant des blessures ou une mauvaise guérison. Comprendre exactement comment ces cellules interprètent leur environnement physique est crucial pour développer de meilleurs traitements pour les lésions tendineuses et pour concevoir des matériaux artificiels capables d'aider à réparer les tissus endommagés.

Les scientifiques savent depuis longtemps que la rigidité d'une surface influence le comportement des cellules, mais les règles changent selon que les cellules reposent sur une surface plane ou flottent à l'intérieur d'un gel tridimensionnel. Dans un monde plat et bidimensionnel, les cellules se déploient généralement davantage et deviennent plus actives lorsqu'elles sont placées sur une surface plus rigide. Cependant, lorsque les cellules sont piégées à l'intérieur d'un gel tridimensionnel, les règles s'inversent souvent : un gel plus rigide peut en réalité comprimer la cellule, rendant son étalement et son travail plus difficiles. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université du Michigan visait à voir comment ces différentes règles s'appliquent aux fibroblastes tendineux et, plus précisément, comment elles affectent le nouveau matériau que ces cellules construisent. L'équipe voulait savoir si la dimensionnalité de l'environnement — plat versus tridimensionnel — modifie la façon dont les cellules tendineuses réagissent à la rigidité et déposent leur nouvelle matrice.

Pour mener cette investigation, les chercheurs ont utilisé un type spécial de gel fait d'acide hyaluronique, une substance naturelle présente dans le corps, qu'ils ont modifié pour leur permettre d'ajuster précisément sa rigidité. Ils ont cultivé des fibroblastes tendineux provenant de tendons de queue de souris et les ont placés dans deux configurations différentes. Dans la première configuration, les cellules ont été ensemencées sur le dessus de gels plats avec des niveaux de rigidité de 10 et 25 kilopascals. Dans la seconde configuration, les cellules ont été encapsulées à l'intérieur de gels tridimensionnels avec des niveaux de rigidité de 5, 10 et 50 kilopascals. Pour voir exactement quel nouveau matériau les cellules fabriquaient, les scientifiques ont utilisé une technique de marquage ingénieuse. Ils ont nourri les cellules avec une molécule de sucre que les cellules ont incorporée dans leurs nouvelles protéines. Plus tard, ils ont ajouté un marqueur fluorescent qui se lie spécifiquement à ce sucre, leur permettant de voir la nouvelle matrice naissante telle qu'elle est déposée autour des cellules.

Dans les cultures plates, en deux dimensions, les résultats suivaient le schéma attendu. Lorsque les cellules étaient sur le gel le plus rigide, elles se déployaient davantage, devenant plus plates et plus larges. Cet étalement s'accompagnait d'un changement dans la signalisation interne de la cellule, spécifiquement le mouvement d'une protéine appelée YAP vers le noyau de la cellule, qui agit comme un interrupteur pour la croissance et la production de matrice. En conséquence, les cellules sur le gel plus rigide de 25 kilopascals ont déposé nettement plus de nouvelle matrice que celles sur le gel plus mou de 10 kilopascals. Les chercheurs ont observé que la nouvelle matrice commençait sous forme de petits points près de la cellule avant de devenir, avec le temps, des réseaux fibreux continus, un processus qui se produisait indépendamment de la rigidité, bien que la quantité totale soit plus élevée sur la surface la plus rigide.

L'histoire change complètement lorsque les cellules sont placées à l'intérieur des gels tridimensionnels. Ici, la relation entre la rigidité et le comportement cellulaire est inversée. Les cellules dans les gels plus mous, à 5 et 10 kilopascals, ont pu s'étaler légèrement plus et ont montré des niveaux plus élevés de la protéine YAP dans leurs noyaux par rapport aux cellules dans le gel 3D le plus rigide de 50 kilopascals. Les cellules dans le gel 3D rigide sont restées petites et rondes, piégées par le réseau serré du matériau. Par conséquent, la quantité de nouvelle matrice qu'elles ont déposée était plus faible dans le gel rigide que dans les gels plus mous. Curieusement, les cellules dans le gel de 10 kilopascals ont produit la plus grande quantité de nouvelle matrice de toutes, même plus que celles dans le gel de 5 kilopascals, suggérant qu'il existe une rigidité optimale pour la production de matrice en trois dimensions, distincte de la tendance observée dans les cultures plates.

Les chercheurs ont également examiné les instructions génétiques à l'intérieur des cellules pour comprendre ce qu'elles prévoyaient de construire. Ils ont découvert que les cellules dans les gels 3D plus mous activaient des gènes associés à la formation saine des tendons, tels que ceux du collagène de type I et de la ténascine C. En revanche, les cellules dans le gel 3D rigide de 50 kilopascals ont réduit l'expression de ces gènes spécifiques au tendon et ont plutôt montré des signes d'un état différent, moins lié au tendon. Elles produisaient moins du collagène spécifique qui forme l'environnement péricellulaire des cellules tendineuses et plus d'un autre type de collagène que l'on trouve habituellement dans les membranes basales. Ce changement de programmation génétique a confirmé que la confinement physique du gel rigide altérait fondamentalement l'identité de la cellule et sa capacité à fonctionner en tant que bâtisseur de tendon.

L'étude souligne que la dimensionnalité de l'environnement est un facteur critique dans la façon dont les cellules tendineuses perçoivent et répondent à leur environnement. Alors qu'une surface plus rigide encourage la production de matrice dans une culture plate, un gel tridimensionnel plus rigide peut en réalité la supprimer en restreignant physiquement la cellule et en modifiant son programme génétique. Cette découverte suggère que rendre simplement un matériau plus rigide n'est pas toujours la solution pour encourager la réparation tissulaire. Au lieu de cela, la conception de biomatériaux pour la guérison des tendons doit tenir compte de la nature tridimensionnelle du tissu, en veillant à ce que le matériau soit assez souple pour permettre aux cellules de s'étaler et d'activer leurs gènes de construction de tendons, tout en étant suffisamment structuré pour soutenir la formation d'une nouvelle matrice robuste. En cartographiant ces interactions complexes, les chercheurs ont fourni un guide plus clair pour la création d'environnements artificiels capables de soutenir efficacement les mécanismes naturels de réparation du corps.