Les ingénieurs de l'ETH Zurich ont découvert que les tissus biologiques mous se déforment très différemment sous tension qu'on ne le supposait auparavant. Leurs découvertes sont déjà utilisées dans des projets de recherche médicale.

Dans l'utérus, l'enfant à naître flotte dans un sac amniotique rempli de liquide amniotique. Le bon développement du bébé dépend du maintien de ce sac intact. Cependant, il est possible que le récipient protecteur se déchire suite à des interventions telles que l'amniocentèse ou la chirurgie fœtale – ou même spontanément.

Le tissu étiré perd du volume

En prenant ces problèmes médicaux comme point de départ, chercheurs du groupe dirigé par Edoardo Mazza, Professeur à l'Institut des systèmes mécaniques de l'ETH Zurich, étudié comment certaines parties du sac amniotique, et d'autres tissus biologiques mous, déformer sous une charge de traction. L'une de leurs découvertes les plus importantes - et les plus surprenantes - est que le tissu perd de la masse à mesure qu'il s'étire, avec un étirement physiologique de 10 pour cent conduisant à une perte moyenne d'environ 50 pour cent.

« Cela contredit le paradigme dominant selon lequel, bien que de tels tissus biologiques mous puissent se déformer de manière significative, son volume reste inchangé, " explique Mazza. En prenant des mesures d'échantillons de tissus, son groupe a pu montrer que le volume est perdu en raison du fait que le liquide stocké entre les cellules et les fibres de collagène dans le tissu s'échappe de la zone étirée.

Interaction entre la mécanique et la chimie

Alexandre Ehret, chef d'équipe dans le groupe de Mazza, et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques approfondies pour clarifier le mécanisme responsable de cela. La base est l'alignement des fibres de collagène dans le tissu. Les fibres forment une sorte de réseau tridimensionnel, dans lequel ils courent dans toutes les directions à l'intérieur d'un plan, montrant seulement une légère inclinaison hors du plan.

Si ce réseau est retiré, toutes les fibrilles de collagène qui se trouvent plus ou moins dans le sens de la traction se rapprochent dans un mouvement de ciseaux, extraire le liquide du tissu. Les fibres ne sont pas endommagées, car ils sont principalement déplacés vers le plan et seulement légèrement étirés.

La perte de volume est réversible. Lorsque le tissu se détend à nouveau, il réabsorbe l'eau des tissus environnants. "La raison en est des macromolécules chargées négativement qui sont fermement liées aux fibres de collagène, " explique Mazza. Ils font refluer l'eau dans les tissus selon les principes de l'osmose. Dans les expériences, ce processus peut être répété maintes et maintes fois.

Mettre les tissus à l'épreuve

Cette densification des fibres de collagène est extrêmement utile, notamment en cas de blessures, comme les scientifiques l'ont découvert dans d'autres expériences :si un morceau tendu de tissu biologique mou est coupé, une fissure se forme, mais les fibres de collagène se rejoignent alors à la pointe de la déchirure. "Si le tissu est davantage étiré, ce renfort est généralement suffisant pour empêcher la déchirure de se développer, " explique Ehret.

Les chercheurs ont passé la dernière décennie à développer des dispositifs dédiés, aides et protocoles qu'ils utilisent pour analyser le comportement mécanique des tissus biologiques mous. Par conséquent, ils ont été capables d'étirer à la fois de grands et de petits morceaux de tissu dans une ou plusieurs directions - par exemple, par l'inflation. Ils ont également réussi à quantifier la réponse du tissu et à décrire et expliquer les effets observés à l'aide de simulations informatiques basées sur des algorithmes, qu'ils ont eux-mêmes développés eux-mêmes.

Applications médicales directes

Cependant, Mazza et Ehret n'étaient pas seulement intéressés à comprendre comment le tissu se comporte sous une charge de traction. "Nous sommes des ingénieurs, " dit Mazza. En tant que tel, ils préfèrent travailler sur des solutions de problèmes réels. Les nouvelles découvertes sont donc directement intégrées dans la résolution de défis médicaux spécifiques, telles que « l'ingénierie tissulaire », la production artificielle de tissus biologiques destinés à régénérer ou remplacer les tissus endommagés chez les patients.

Sur la base de leurs nouvelles découvertes, les chercheurs veulent d'abord examiner les substrats sur lesquels le tissu se développe.

« Notre objectif est de créer les conditions les plus précises sur le plan physiologique pour le tissu modifié, c'est-à-dire imiter la nature au plus près, " dit Mazza. Lui et ses collègues sont convaincus que les cellules des tissus en croissance reçoivent des signaux du substrat qui jouent ensuite un rôle important dans la détermination des propriétés du tissu de remplacement.

Les scientifiques attachent un rôle fondamental à l'interaction entre la chimie et la mécanique. « Il est vital que le substrat ait les bonnes propriétés, incluant notamment la bonne interaction entre les macromolécules chargées et les fibres de collagène, ", explique Ehret.

Une nouvelle peau pour les grands brûlés

Les chercheurs prévoient de participer à un projet à l'hôpital universitaire pour enfants de Zurich qui vise à cultiver plus rapidement et plus efficacement une peau de remplacement pour les brûlés. Cette collaboration se déroulera dans le cadre du projet phare Skintegrity opéré par University Medicine Zurich. Les chercheurs ont soumis fin septembre une proposition de projet correspondante au Fonds national suisse de la recherche scientifique.

Cependant, Le groupe de Mazza applique déjà ses connaissances spécialisées à un projet à l'hôpital universitaire de Zurich qui traite des déchirures du sac amniotique. Ce projet visait initialement à déterminer les propriétés requises par le tissu afin de réparer de telles blessures. Maintenant, leur attention s'est tournée vers la question de savoir pourquoi ces larmes se produisent en premier lieu. Face à ce type de questions, les ingénieurs se sentent dans leur élément. « Pour pouvoir contribuer à de tels projets médicaux, " dit Mazza, « est très motivant. »