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Microchannels for controlling cellular mechanotransduction

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Un nouvel hydrogel microstructuré aux propriétés antimicrobiennes uniques

Les échafaudages poreux offrent un environnement extracellulaire 3D similaire à l’environnement naturel de la cellule et leur application en médecine régénérative est immense. Les chercheurs de l’UE ont mis au point un nouveau biomatériau pour favoriser la différenciation cellulaire et restaurer les tissus endommagés.

Santé

Par le biais de stimuli mécaniques, l’environnement extracellulaire détermine le comportement et les processus cellulaires tels que l’adhésion, la prolifération, la migration et la différenciation. La science des matériaux tente d’imiter les propriétés structurelles, mécaniques et biochimiques de la matrice extracellulaire naturelle, afin de maximiser la régénération des tissus endommagés grâce à une croissance cellulaire organisée dans l’espace.

Un nouveau biomatériau avec un réseau de microcanaux

Le projet CHANNELMAT, financé par l’UE, a permis de mettre au point un nouveau matériau 3D peu coûteux et biocompatible pouvant servir d’échafaudage pour la croissance cellulaire. Comme l’explique Christine Selhuber-Unkel, coordinatrice du projet, «notre matériau contient des canaux creux de quelques microns intégrés dans une matrice polymère.» Cela offre une grande surface de contact avec les cellules, ce qui maximise l’influence du matériau sur le comportement des cellules, par exemple pour contrôler la transduction des stimuli mécaniques. L’approche CHANNELMAT offre divers avantages par rapport aux solutions existantes. Elle utilise un substrat de polyacrylamide pour produire des micro-canaux interconnectés d’un diamètre inférieur à 20 μm. Le procédé de fabrication breveté garantit l’interconnectivité des pores, indépendamment de leur densité et de leur taille. Il est important de noter que les microcanaux fins fournissent un environnement 3D avec jusqu’à 80 % de contact avec la surface des cellules, ce qui améliore le contrôle du comportement des cellules. L’adaptation de la conception, de la composition et de la mécanique de l’échafaudage garantit que l’apport d’oxygène et de nutriments ressemble étroitement aux conditions des tissus naturels. De plus, l’échafaudage peut être fonctionnalisé avec des protéines pour l’ingénierie tissulaire et avec des nanoparticules à base de carbone pour imiter les tissus électriquement excitables comme le tissu cardiaque, tandis que sa forte adsorption de protéines signifie qu’il peut être conçu pour ressembler à la matrice extracellulaire.

Applications médicales du nouveau matériel

«Notre objectif était de valider le nouveau matériau CHANNELMAT dans des applications cellulaires où la mécanotransduction est affectée, comme dans le tissu cardiaque après une crise cardiaque,» poursuit Mme Selhuber-Unkel. Les propriétés mécaniques bien définies du biomatériau et la capacité de le fabriquer avec différents niveaux de complexité à haut débit le rendent adapté à de nombreuses applications telles que les cultures cellulaires 3D et l’implantation. Néanmoins, la découverte la plus importante, cliniquement pertinente, est actuellement indépendante de la mécanotransduction. L’équipe scientifique a utilisé ce matériel innovant pour capturer l’agent pathogène humain Acanthamoeba castellanii. Connu pour sa capacité à infecter l’œil et à provoquer des kératites sévères, le traitement est prolongé et complexe. Malgré la rareté de la maladie, elle est particulièrement répandue dans les pays développés où l’utilisation de lentilles de contact est courante. De plus, malgré la désinfection, on trouve Acanthamoeba castellanii dans le sol et dans les réservoirs d’eau, y compris les piscines et les liquides pour lentilles de contact. Le matériau CHANNELMAT a le potentiel d’éliminer le parasite Acanthamoeba castellanii et d’améliorer la sécurité des lentilles de contact si elles sont utilisées dans des dispositifs de stockage. Selon Mme Selhuber-Unkel, il s’agit de la réalisation la plus significative du projet, qui a ouvert de nouvelles voies à l’exploitation commerciale du biomatériau CHANNELMAT. La capture de micro-organismes pathogènes au moyen de pièges fabriqués est une nouvelle stratégie antimicrobienne sans produits chimiques. Actuellement, les chercheurs étudient ces matériaux dans différents contextes allant des applications dans le cerveau à la robotique douce. Plusieurs projets financés s’appuient sur les connaissances acquises au cours de CHANNELMAT, et à l’aide de l’investissement industriel approprié, ils espèrent faire passer leur produit à un niveau supérieur.

Mots‑clés

CHANNELMAT, biomatériau, échafaudage, mécanotransduction, Acanthamoeba castellanii, agent pathogène, hydrogel

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