Inspiré par la façon dont la géométrie influence les systèmes physiques tels que la matière molle, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont révélé des informations surprenantes sur la façon dont la physique des molécules dans une cellule affecte le comportement de la cellule.

"Les cellules ont un squelette tout comme nous avons un squelette, " dit Nathan Bade, un étudiant diplômé du Département de génie chimique et biomoléculaire de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, "et, tout comme notre squelette, c'est raide. Nous voulions comprendre comment ce squelette rigide réagirait à la géométrie."

Les chercheurs se sont concentrés sur les cellules musculaires lisses vasculaires, qui sont les types de cellules qui composent une grande partie des gros vaisseaux sanguins chez les mammifères. Selon Bade, les scientifiques pourraient s'attendre à ce que la cellule essaie d'éviter de se plier. Cependant, les chercheurs ont découvert que sur une surface cylindrique, les cellules forment en fait des squelettes très courbés. Ils ont également constaté que, en manipulant le squelette des cellules, ils pourraient récapituler le modèle d'alignement du squelette qu'ils ont vu in vivo.

« La chose la plus excitante que nous ayons trouvée est que la géométrie compte vraiment lorsqu'il s'agit de comportements cellulaires, " Bade a déclaré. "Je pense que c'est quelque chose qui a été quelque peu négligé par rapport à la rigidité et à d'autres facteurs environnementaux importants."

La recherche a été dirigée par Bade, travaillant sous la direction de Kathleen Stebe, le professeur Richer &Elizabeth Goodwin au Département de génie chimique et biomoléculaire et vice-doyen pour la recherche et l'innovation; Randall Kamien, le professeur Vicki et William Abrams en sciences naturelles au département de physique et d'astronomie de l'École des arts et des sciences; et Richard K. Assoian, professeur de pharmacologie à la Penn's Perelman School of Medicine. Leur article a été publié en Avancées scientifiques .

"Nous savons déjà que les cellules de mammifères interagissent avec les frontières, " dit Stebe. " Par exemple, si les cellules sont cultivées sur des surfaces de rigidité différente, ils s'organisent différemment. Cela nous a fait nous intéresser à cette question de géométrie :une cellule peut-elle voir la forme de sa frontière ? Et nous avons concentré nos travaux initiaux sur des structures de type cylindrique, car elles sont si courantes en biologie. »

Pour enquêter sur cela, Bade a revêtu des cylindres de molécules qui les font adhérer aux cellules, puis a observé et recueilli des informations sur le comportement des cellules lorsqu'elles se sont développées sur une frontière incurvée. Les chercheurs ont utilisé un puissant microscope confocal qui leur a fourni des informations tridimensionnelles sur les systèmes.

Les chercheurs ont pu traiter les fibres de stress, le cytosquelette actif au sein des cellules, pour qu'ils deviennent fluorescents. En utilisant un laser pour collecter la lumière à partir de très petites sections d'un échantillon, le microscope confocal a éliminé toute la lumière floue. Cela a produit une image haute résolution à partir d'un plan étroit qui a permis aux chercheurs de voir que la population de fibres de stress assise au-dessus de la cellule était alignée différemment d'une autre population en dessous.

Ils ont découvert que la taille du cylindre affectait la réponse de la cellule :plus le cylindre est grand, ce qui se traduit par une géométrie plus plane, moins les fibres de stress s'alignent. Étant donné que les cylindres plus petits ont une plus grande courbure, les fibres de stress s'alignaient plus fortement autour d'elles.

"Une population de fibres de stress s'aligne le long de l'axe, et l'autre s'enroule autour du cylindre, " Stebe a dit. "Il y a un modèle très distinct; ce n'est pas subtil. Alors nous avons demandé pourquoi cela se produisait."

En utilisant un médicament spécialement conçu pour activer Rho dans les cellules et rendre les fibres de stress plus épaisses et potentiellement plus rigides, les chercheurs ont cherché à voir si cette augmentation de la rigidité découragerait les fibres de contrainte de s'enrouler autour du cylindre. Mais, à leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que ce traitement éliminait complètement les fibres alignées le long de l'axe et épaississait les fibres enroulées.

« La réorganisation est très marquante, " a déclaré Stebe. "Nous pensons qu'il s'agit des cellules faisant du calcul; les cellules détectent et répondent à la courbure sous-jacente. Apparemment, la courbure est un indice qui joue un rôle très important à la fois dans l'organisation de la cellule elle-même et de la microstructure à l'intérieur de la cellule. Ces populations de fibres de stress peuvent être manipulées à l'aide de médicaments qui modifient la rigidité, entre autres. Et, après ces manipulations, les fibres de contrainte maintiennent des alignements très forts. Ce n'est pas l'argument habituel pour la formation de motifs en biologie."

Pour suivre ces résultats, l'équipe mène d'autres recherches sur les indices de courbure et sur des géométries et des limites plus complexes.

"Les résultats de cet article sont vraiment intéressants, " Bade a dit, "mais cela nous a laissé une tonne de questions ouvertes. L'une d'entre elles est vraiment de comprendre les détails mécaniques. Qu'est-ce qui se passe exactement avec la cellule pour qu'une population soit très courbée et que l'autre soit très droite est toujours un mystère pour nous. De plus, nous sommes en train de créer des surfaces incurvées plus complexes pour voir comment les cellules réagissent face à un champ de courbure beaucoup plus difficile."

Selon Bade, cette recherche a produit une découverte fondamentale qui met en lumière la façon dont les cellules interagissent avec leur environnement, ce qui est crucial pour comprendre ce que font les cellules dans le corps humain.

"Il y a eu des travaux pionniers à l'Université de Pennsylvanie pour comprendre comment les cellules ressentent la rigidité, " Bade a dit, « qui est un stimulus environnemental qui n'est pas un signal chimique soluble. Et cela s'avère très important dans le cancer et toutes sortes d'états pathologiques. Je pense que comprendre comment les cellules ressentent et réagissent à la géométrie est également important. »

Les chercheurs ont également montré que, au niveau le plus élémentaire, ils peuvent modeler la structure interne de la cellule. Les modèles de ces structures ont des implications importantes dans les comportements cellulaires en aval comme la migration et la prolifération. La capacité de ces cellules à se diviser et à migrer rapidement peut être influencée par la géométrie et la courbure.

« De la capacité d'organiser vient la capacité d'interroger, " Assoian a déclaré. "Cela pourrait être un bel outil qui nous permet d'organiser la cellule et sa sous-structure pour d'autres interrogatoires. C'est aussi une question intéressante de, si vous construisez des structures à partir de cellules, cette organisation de la cellule et de ses sous-structures donne-t-elle une nouvelle réponse dans des cellules par ailleurs identiques ? Il serait très intéressant de faire équipe avec des personnes qui réfléchissent à la manière d'exploiter les cellules dans la cicatrisation des plaies, ou les interactions entre les limites cellulaires pour les implants.

"En plus de la nouvelle compréhension des principes fondamentaux que les cellules utilisent pour interpréter les géométries de surface, cette recherche pourrait être d'une grande portée pour comprendre comment les cellules musculaires lisses et leurs cytosquelettes contribuent à la formation de vaisseaux sanguins au cours du développement et peut-être même comment ils remodèlent leurs vaisseaux dans les maladies vasculaires. Et parce que nous constatons que cette réponse à la géométrie ne se limite pas aux cellules musculaires lisses, la détection de la géométrie pourrait devenir une nouvelle frontière dans un large éventail de biologies."

Stebe a dit, « C'est le plaisir de la science et de l'ingénierie :un petit nouvel outil peut toucher tout le reste. Et cette découverte est une réorganisation spectaculaire. Alors, qu'est-ce que cela touche d'autre ? »