Progrès dans la recherche sur les cardiomyocytes en utilisant des hiPSC-CMs

Les maladies cardiovasculaires sont la principale cause de maladie et de décès dans le monde, provoquant environ 18 millions de décès chaque année. Le cœur est composé de différents types de cellules, les cardiomyocytes étant les plus abondants. Chez les adultes, ces cellules sont disposées de manière à aider le cœur à pomper le sang efficacement. Les cardiomyocytes adultes ont une forme et une structure spécifiques qui leur permettent de bien fonctionner. Cependant, étudier ces cellules directement à partir de cœurs humains présente des défis, comme leur disponibilité limitée et les difficultés à les maintenir en laboratoire.

Pour surmonter ces défis, les scientifiques utilisent un type de cellule appelé HiPSC-CMs, dérivées de cellules souches humaines. Ces cellules peuvent être cultivées en grande quantité et offrent des informations précieuses sur les maladies cardiaques et les traitements potentiels. Cependant, les hiPSC-CMs sont moins matures que les cardiomyocytes adultes et ont des propriétés différentes. Les chercheurs travaillent à créer de meilleures conditions pour que ces cellules se développent en laboratoire, ressemblant aux conditions d'un cœur sain.

#Créer le bon environnement

Un cadre idéal pour cultiver des cardiomyocytes implique d'utiliser un substrat qui imite la texture et la rigidité du tissu cardiaque. Ce substrat doit soutenir l'attachement et la croissance des cardiomyocytes, les aider à s'aligner correctement et accommoder le mouvement naturel du cœur. La rigidité du substrat doit correspondre à celle du tissu cardiaque sain, qui varie entre 1-6 kPa dans les cœurs jeunes et 10-15 kPa dans les cœurs adultes sains.

Pour produire de tels Substrats, les chercheurs ont utilisé diverses techniques, y compris la lithographie douce et la microfabrication. Un matériau populaire pour fabriquer ces substrats est le polydiméthylsiloxane (PDMS), connu pour sa stabilité, sa biocompatibilité et son faible coût. Bien que le PDMS présente de nombreux avantages, il peut être difficile pour les cardiomyocytes de s'y fixer car le PDMS est naturellement hydrophobe.

Pour améliorer l'attachement cellulaire, les chercheurs ont développé des méthodes pour modifier la surface du PDMS, le rendant plus adapté à la croissance cellulaire. Ces modifications incluent le revêtement de la surface avec des protéines qui aident les cellules à mieux adhérer.

#Méthodes de fabrication

Le processus de création du substrat micropatterné doux implique plusieurs étapes. D'abord, un moule est fabriqué avec du PDMS, ce qui nécessite une gravure soignée pour former des rainures. Ces rainures guident les cellules pour qu'elles poussent dans l'orientation désirée. Une fois le moule prêt, une couche d'un matériau appelé alcool polyvinylique (PVA) est appliquée pour faciliter le retrait du substrat PDMS plus tard.

Ensuite, une version plus douce du PDMS est versée dans le moule. Après cela, le substrat est traité pour améliorer ses propriétés de surface avant d'être utilisé pour la culture cellulaire. Les chercheurs utilisent diverses techniques pour s'assurer que la profondeur et l'espacement des rainures sont constants, car ces caractéristiques influencent la façon dont les cellules poussent et se comportent.

#Caractérisation du substrat

Pour s'assurer que les substrats sont adaptés à la culture des cardiomyocytes, les chercheurs mesurent des aspects comme la profondeur des rainures et la texture de la surface. Ces caractérisations aident à comprendre comment le substrat pourrait affecter la croissance et la fonction des cellules.

Ils réalisent également des tests pour mesurer la rigidité des substrats, car différents niveaux de rigidité peuvent créer des réponses variées dans les cellules. Cette caractérisation mécanique est essentielle car elle aide à prédire comment les cellules réagiront au substrat lors des expériences.

#Améliorer l'attachement cellulaire

L'attachement des cellules au substrat est crucial pour les études réussies des cardiomyocytes. Les chercheurs mesurent à quel point les cellules adhèrent à différents types de substrats. Ils constatent que les substrats traités avec des revêtements spécifiques, comme des protéines, améliorent considérablement la capacité des cellules à s'attacher et à croître.

Une approche réussie a été d'appliquer une combinaison de PD et de protéines de matrice extracellulaire (ECM). Traiter le substrat de cette manière permet aux cardiomyocytes de former une monocouche stable et fonctionnelle. Cette couche est cruciale pour étudier leur activité électrique et leur comportement contractile.

#Différenciation des cellules souches en cardiomyocytes

Pour produire des cardiomyocytes, les chercheurs les dérivent de hiPSCs. Ces cellules souches subissent une série d'étapes, d'abord en étant placées sur une surface recouverte de protéines spéciales pour soutenir leur croissance. Après un certain temps, le milieu est changé pour encourager les cellules à commencer à se différencier en cardiomyocytes. Les cellules atteignent un état de maturité après plusieurs jours, montrant des caractéristiques similaires à celles trouvées dans les cellules cardiaques adultes.

Pendant ce processus de différenciation, les scientifiques surveillent de près les cellules pour s'assurer qu'elles se développent correctement. L'objectif est d'obtenir une haute pureté de cardiomyocytes, ce qui permet des résultats plus fiables dans les expériences suivantes.

#Effets des caractéristiques du substrat sur le comportement cellulaire

Les chercheurs étudient comment les caractéristiques du substrat micropatterné, comme les dimensions des rainures, influencent les cardiomyocytes. Ils examinent comment les différentes tailles de motifs affectent l'alignement des cellules et de leurs noyaux. Une découverte cruciale est que certains paramètres, tels que la profondeur et l'espacement des rainures, favorisent un meilleur alignement et une meilleure fonctionnalité des cardiomyocytes.

Dans leurs expériences, les chercheurs observent que les meilleures performances se produisent avec certaines dimensions de micropatterns. Les cellules cultivées sur ces motifs optimaux montrent une meilleure organisation et fonction, reflétant plus étroitement le comportement des cardiomyocytes adultes.

#Maturation des cardiomyocytes

Cultiver des cardiomyocytes dérivés de hiPSC sur des substrats spécialement conçus permet aux chercheurs de favoriser davantage leur maturation. Ils observent des changements au fil du temps dans des propriétés telles que l'organisation des sarcomères, la force contractile et la gestion du calcium.

Après quelques semaines sur le substrat micropatterné doux, les cardiomyocytes montrent une meilleure organisation structurelle. Cette maturation est indiquée par une amélioration des longueurs et orientations des sarcomères, qui sont essentielles pour un bon fonctionnement cardiaque. Les chercheurs notent également que la capacité des cellules à gérer le calcium s'améliore, ce qui améliore la contractilité.

#Évaluation de la fonctionnalité

La fonctionnalité des cardiomyocytes cultivés est évaluée à l'aide de diverses techniques. En analysant leurs taux de contraction et de relaxation, les chercheurs déterminent à quel point ces cellules imitent le comportement des cellules cardiaques adultes. Les tests mesurent des paramètres tels que le raccourcissement des sarcomères et la dynamique des transitoires de calcium, fournissant des informations sur la performance globale des cellules.

Ces évaluations sont cruciales pour comprendre dans quelle mesure les cellules cultivées peuvent être utilisées pour étudier les maladies cardiaques ou tester de nouveaux médicaments.

#Culture à long terme

Un aspect essentiel de la recherche est la capacité à cultiver des cellules sur de longues périodes, parfois plus de trois mois. Les observations à long terme aident les scientifiques à comprendre comment les cardiomyocytes changent au fil du temps et comment leurs fonctions pourraient être affectées par le microenvironnement.

Lors des études à long terme, les chercheurs suivent les changements dans la structure et la fonction des cellules, identifiant les points de maturation et les signes de dédifférenciation. Ces connaissances sont vitales pour établir des modèles stables pour étudier les maladies cardiaques et les réponses aux médicaments.

#Développement de techniques utiles

Tout au long de l'étude, diverses techniques et procédures ont été développées pour créer des environnements efficaces pour cultiver des cardiomyocytes. Ces méthodes permettent aux chercheurs de produire des modèles cellulaires stables et fonctionnels qui peuvent offrir des informations sur le développement cardiaque, les maladies et les thérapies potentielles.

Une avancée clé est la capacité à créer des substrats micropatternés de manière simple sans avoir besoin d'installations complexes de salle blanche. Cette accessibilité encourage davantage d'expérimentation et d'innovation dans le domaine.

#Directions futures

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'élargir leur compréhension en examinant comment différents facteurs environnementaux impactent le comportement des cardiomyocytes. Il y a un accent sur l'exploration des structures 3D, qui peuvent mieux imiter les conditions trouvées dans le tissu cardiaque réel.

De plus, examiner l'expression des protéines dans les cellules souches et les cardiomyocytes peut offrir des informations sur la façon dont ces cellules s'adaptent à différents environnements. De telles études sont essentielles pour faire avancer le domaine de la médecine régénérative et améliorer les traitements pour les maladies cardiaques.

#Conclusion

Cette recherche souligne l'importance de créer des environnements optimaux pour les hiPSC-CMs afin d'améliorer leur maturation et leur fonctionnalité. En développant de nouveaux substrats micropatternés avec des propriétés mécaniques spécifiques, les scientifiques ont ouvert la voie à de nouvelles techniques dans l'étude des maladies cardiaques et du test de traitements potentiels.

La capacité à cultiver des cellules sur de longues périodes tout en maintenant leur fonctionnalité est une avancée significative. Ce travail promet des applications futures dans l'ingénierie des tissus cardiaques et la découverte de médicaments, contribuant finalement à de meilleurs résultats pour les patients souffrant de maladies cardiaques.