$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
La capacité du cœur à pomper efficacement le sang dépend de l’architecture et des propriétés mécaniques (rigidité) de son myocarde, où l’organisation précise des cellules et des tissus est essentielle pour la contraction coordonnée et le fonctionnement global. Le myocarde est principalement composé de cardiomyocytes (MC), qui, chez l’adulte, présentent une morphologie allongée, presque en forme de bâtonnet, avec des sarcomères (l’unité contractile des CM) alignés sur toute la longueur de la cellule. En revanche, les MC fœtaux ou dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) diffèrent significativement des MC adultes. Ils ont tendance à avoir une forme plus arrondie, un seul noyau, une structure sarcomérique désorganisée ou non alignée et une fréquence de battement irrégulière. La ressemblance structurelle de l’organisation in vivo du myocarde permet la synchronisation de la contraction et de la transmission de force ; Ceci est critique et essentiel pour récapituler le myocarde naturel à travers un modèle in vitro. Pour générer des MC avec des caractéristiques structurelles similaires à celles du myocarde mature, des études antérieures ont démontré des stratégies efficaces pour améliorer la maturation, y compris la manipulation de la rigidité du substrat 1,2, l’application d’une contrainte mécanique 3, l’utilisation du guidage de contact 4,5 ou l’utilisation de la stimulation électrique 6,7.
On sait depuis longtemps que la rigidité de l’environnement extracellulaire a un impact sur les cellules. Une grande diversité de rigidité existe dans tout le corps humain, allant de centaines de pascals (Pa) dans le cerveau et jusqu’à des dizaines de gigapascals (GPa) dans les os 8,9,10. Il a été constaté qu’au cours du développement, les tissus changent de rigidité, et cette altération régule la différenciation et la maturation au niveau cellulaire dans les phénotypes adultes nécessaires au fonctionnement normal 11,12,13,14. Les modifications de la raideur ont également été liées à des états pathologiques et à la progression de pathologies spécifiques 15,16,17,18. Plus précisément, la rigidité du myocarde change avec le développement et la progression des maladies ; par exemple, un myocarde sain a un module d’élasticité de ~10 kPa par rapport à un cœur défaillant, qui a un module d’élasticité de 35-70 kPa ou plus19. De plus, de nombreuses études in vitro ont rapporté que les cardiomyocytes cultivés sur un substrat similaire à la rigidité myocardique native avaient une meilleure organisation du sarcomère20, généraient une contraction optimale 1,19 et avaient la durée potentielle d’action la plus longue21.
De plus, il est devenu de plus en plus reconnu que les cellules in vivo sont exposées à une variété complexe de signaux topographiques au sein de leur microenvironnement qui déterminent la forme et la fonction. Ces repères topographiques se présentent sous différentes tailles et géométries, de l’arrangement aléatoire des intégrines au niveau moléculaire à l’alignement au niveau du micron des cellules dans les tissus musculaires22,23. À l’instar d’autres régulateurs mécaniques, la topographie est importante pour la morphologie cellulaire, comme l’étalement, l’élongation, l’alignement, la motilité, la différenciation et l’apoptose 24,25,26. Avec l’introduction de substrats de culture synthétiques, des méthodes ont été développées pour créer une topographie de surface contrôlée pour la culture cellulaire et tissulaire 27,28,29. Par exemple, des nano- et micro-sillons micropatterned ont été utilisés pour fournir un guidage de contact aux cellules de mammifères afin que les cellules orientent et remodèlent leur cytosquelette pour suivre les structures topographiques du substrat de culture.
Ici, nous introduisons une méthode de culture in vitro qui intègre à la fois un guidage structurel (signal de contact) et mécanique (rigidité) à l’aide d’un substrat en élastomère magnétorhéologique (MRE) à motifs, un matériau accordable qui peut être rigidifié ou adouci en ajustant l’intensité du champ magnétique 17,30,31,32. En positionnant les aimants à proximité du substrat de culture, la rigidité peut être augmentée, le degré de rigidification pouvant être modifié en faisant varier la distance entre l’échantillon et l’aimant. À l’inverse, la rigidité peut être réduite en retirant complètement l’aimant. Cette approche fournit une méthode robuste, dynamique et contrôlable pour reproduire les conditions mécaniques de type in vivo, tandis que le micropatterning de surface introduit une anisotropie, permettant la création de substrats de culture cellulaire 2D plus biomimétiques.