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De nombreux processus cellulaires ont été largement étudiés en 2 dimensions, formant ainsi une connaissance collective des mécanismes de signalisation cellulaire de base. Cependant, ces études négligent d’importants indices cellulaires reçus des propriétés structurelles et mécaniques du microenvironnement cellulaire local et de la matrice extracellulaire (MEC). Pour mieux comprendre comment les cellules interagissent dans un contexte physiologique, il est important de les étudier dans des tests tridimensionnels (3D). L’ECM pour ces tests 3D peut être soit dérivée de cellules, soit reconstituée à partir de protéines purifiées. Quelle que soit la source de l’ECM, les tests matriciels 3D se sont avérés inestimables pour comprendre comment les cellules naviguent et interagissent dans le monde physiologique. Par exemple, les cellules cultivées dans des matrices 3D présentent des modes de locomotion distincts qui dépendent de la nature mécanique de leur ECM environnante, qui ne sont pas observés dans les expériences 2D4-6. De plus, les cellules cultivées en 3D ont également des fibres de stress et des adhérences focales moins nombreuses et moins prononcées que leurs homologues cultivées sur des surfaces dures telles que le verre ou le plastique7.
L’importance des tests 3D contextuels ne se limite cependant pas à la migration cellulaire. Certains autres événements de signalisation cellulaire ne peuvent être étudiés que par l’utilisation de tests 3D. Au cours de la différenciation tissulaire et cellulaire, la rigidité de l’environnement extracellulaire et la MEC fournissent des signaux qui peuvent influencer les événements morphogéniques. Par exemple, la tubulogenèse épithéliale mammaire ne se produit que dans les matrices 3D de faible rigidité, mais pas dans les matrices rigides ni sur les substrats 2D8,9. Lorsqu’elles sont cultivées dans des matrices 3D rigides, ces mêmes cellules épithéliales adoptent un phénotype aberrant avec une prolifération accrue et des protubérances membranaires cellulaires entraînées par une altération de la signalisation FAK et ERK10. De nombreuses autres voies de signalisation et processus cellulaires sont connus pour être affectés de manière similaire par la rigidité de l’environnement cellulaire local, et ces cascades de signalisation soulignent l’importance d’étudier les événements de signalisation et le phénotype cellulaire dans le contexte des propriétés mécaniques locales appropriées d’une ECM 3D.
Le collagène I est une protéine particulièrement pertinente à utiliser pour les études in vitro car c’est le composant le plus abondant de l’ECM et est responsable de nombreuses propriétés mécaniques du microenvironnement cellulaire. Alors qu’elle était à l’origine considérée comme une simple protéine structurelle, son rôle est maintenant connu pour être beaucoup plus complexe. La composition, l’architecture, l’orientation, la densité et la rigidité des fibres de collagène fournissent tous un milieu concentré d’informations de signalisation5. Au cours de la progression de certaines maladies, telles que l’inflammation chronique et la tumorigenèse, le réseau de collagène est considérablement remodelé2,11. Plus précisément, dans les cancers du sein, l’augmentation du dépôt de collagène et la rigidité des tissus accompagnent et contribuent probablement à la progression tumorale. Dans ces tumeurs précoces, le réseau de collagène raidi semble tendu et plus aligné, de sorte que la plupart des fibres encapsulent la tumeuren croissance 2. Au fur et à mesure que la tumeur progresse, le collagène continue de se réorganiser et les régions du réseau fibrillaire s’orientent perpendiculairement à la limite tumorale2,12. L’alignement perpendiculaire sert de biomarqueur pronostique lorsque ces patients ont une progression sans maladie et une survie globale plus faibles1. L’une des explications de cette corrélation est que les mauvais résultats sont la conséquence d’une dissémination accrue des cellules tumorales via une migration cellulaire persistante dans des réseaux de collagène alignés3.
Pour comprendre comment les cellules répondent spécifiquement à l’alignement et à l’organisation observés dans la progression tumorale, il est nécessaire de générer des matrices de collagène 3D aléatoires et alignées pour l’expérimentation. Il existe trois méthodologies de base pour induire l’alignement au sein des réseaux fibrillaires. La première technique utilise un dispositif induisant une tension où le collagène entre deux points est contracté ou étiré pour générer un alignement. Les fibres parallèles à l’axe de force sont tendues tandis que les fibres perpendiculaires à l’axe sont comprimées et déformées. Alors que les techniques induites par la déformation offrent généralement un excellent alignement, cette approche nécessite un équipement encombrant qui n’est pas facilement adaptable à de nombreuses plates-formes3,13. Alternativement, une tension induite par les cellules peut être créée en plaçant des bouchons localisés de cellules qui se contractent et alignent ensuite le collagène13. Cette méthode a le problème d’être variable, car de nombreux paramètres peuvent être sujets à changement. La deuxième méthode utilise des billes magnétiques et un champ magnétique pendant la polymérisation pour induire l’alignement du collagène13,14. De bons résultats peuvent être obtenus avec cette méthode avec un équipement peu sophistiqué, mais elle nécessite l’utilisation d’anticorps ou d’une autre méthode pour magnétiser le polymère. Par conséquent, il peut être quelque peu coûteux à utiliser, et la rigidité du gel de collagène est potentiellement modifiée par l’augmentation des connexions dans le réseau. De plus, les billes magnétiques utilisées dans ce processus sont souvent autofluorescentes, ce qui est problématique pour les expériences d’imagerie. Enfin, l’alignement peut être généré par les canaux microfluidiques PDMS3,15,16. Dans cette méthode, l’alignement du collagène est réalisé en faisant circuler le collagène polymérisé à travers de petits canaux microfluidiques. Ces canaux microfluidiques peuvent être réalisés dans une multitude de conceptions et sont facilement adaptables à de nombreuses plateformes. De plus, ils sont très économiques car de très petites quantités de collagène et d’autres réactifs sont utilisées en raison de leur petite taille.
Voici un protocole simple pour intégrer des cellules dans un hydrogel de collagène fibrillaire en 3 dimensions. De plus, une technique plus avancée, dans laquelle des canaux microfluidiques PDMS sont utilisés pour contrôler l’organisation et l’alignement de la matrice de collagène, est également fournie. Ce protocole est facilement adaptable à de nombreuses plateformes et peut générer de manière reproductible des matrices de collagène alignées et aléatoires pour l’étude de la migration cellulaire, de la division cellulaire et d’autres processus cellulaires dans un microenvironnement physiologique tridimensionnel.