$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Les cellules ont la capacité de détecter et de répondre aux stimuli mécaniques dans leur microenvironnement externe 1,2,3, qui sont cruciaux pour réguler divers processus cellulaires, notamment l’adhésion, la migration, la prolifération et la différenciation4. In vivo, les propriétés mécaniques du microenvironnement tissulaire présentent une hétérogénéité spatiale significative, avec des variations de rigidité matricielle observées à la fois dans des contextes physiologiques - tels qu’aux jonctions de l’os et du muscle - et dans des conditions pathologiques, comme au sein des tumeurs 5,6,7. Une étude approfondie de ces facteurs mécaniques est essentielle pour comprendre les mécanismes de régulation qui régissent le comportement cellulaire. Ces mécanismes sont essentiels dans des processus tels que le développement des tissus, la progression de la maladie et le processus de régénération et de réparation 8,9.
Pour simuler in vitro ce microenvironnement mécanique complexe, les hydrogels ou les élastomères sont largement utilisés pour créer des substrats avec une rigidité variable en ajustant le degré de réticulation ou le rapport des composants 3,10,11,12,13. Cependant, ces méthodes entraînent souvent des changements de rigidité discrets qui ne parviennent pas à reproduire les gradients de rigidité continus à l’échelle microscopique qui imitent avec précision les conditions physiologiques 13,14,15,16,17. Des études récentes ont exploré des techniques telles que la réticulation optique (par exemple, l’utilisation d’un photomasque pour réguler l’exposition aux UV)18, le mélange microfluidique multicanaux19,20 et les moyens de diffusion21 pour construire des gradients de rigidité. Malheureusement, ces approches peuvent être techniquement complexes et introduire des variables supplémentaires, telles que la taille des mailles22, le gonflement23,24 et la topographie25. L’introduction de facteurs de perturbation complique l’interprétation des réponses cellulaires à la rigidité. Un système PDMS bicouche, utilisant des réseaux de micropiliers ou des motifs en damier comme structure de support, a été adopté pour créer des substrats de culture cellulaire avec des gradients de rigidité26,27. Ces approches s’appuient sur des supports sous-jacents discrets sous une membrane chimiquement homogène pour obtenir une modulation de rigidité isotrope, fournissant ainsi des plates-formes précieuses pour l’étude de l’adhésion et de la propagation cellulaires. Cependant, le microenvironnement cellulaire natif in vivo est souvent très anisotrope dans ses propriétés mécaniques28,29. On suppose que cette signalisation mécanique directionnelle influence profondément les événements biologiques fondamentaux. Par conséquent, les stratégies de biofabrication actuelles sont limitées dans leur capacité à reproduire les interactions subtiles de rigidité cellulaire observées in vivo, qui dépendent de l’imitation précise des gradients de rigidité à l’échelle microscopique et de l’hétérogénéité spatiale au sein de substrats chargés de cellules.
Des recherches antérieures ont démontré que les cellules peuvent percevoir la rigidité effective d’objets rigides même lorsqu’ils ne sont pas en contact cellulaire direct30. Sur la base de cette étude, nous introduisons un nouveau substrat de culture cellulaire bicouche polydiméthylsiloxane (PDMS) qui génère des gradients de rigidité contrôlés à des échelles spatiales allant de 5 à 50 μm, s’alignant sur la gamme de tailles pertinente pour la mécanodétection subcellulaire et unicellulaire. Le substrat se compose de deux couches distinctes : une sous-couche PDMS rigide présentant des microstructures géométriques réglables et une couche supérieure PDMS souple uniforme et plate qui sert de surface de contact avec les cellules. Cette conception permet une modulation mécanique uniquement par le biais de variations de la géométrie de la sous-structure, tout en maintenant une chimie de surface et une topographie cohérentes. Par conséquent, il découple efficacement le signal de rigidité d’autres indices physiques et chimiques, offrant ainsi un système plus pertinent sur le plan biologique pour la modulation de la rigidité.
Contrairement aux substrats traditionnels à base d’hydrogel, notre approche permet des études mécaniques à variable unique sans interférence de gonflement, de taille de maille ou de topologie de surface. Le substrat est simple à fabriquer à l’aide de la lithographie douce standard et est hautement reproductible31. Il est également compatible avec la microscopie à haute résolution, ce qui le rend particulièrement bien adapté à l’imagerie en temps réel et aux études quantitatives des réponses cellulaires aux signaux de rigidité à l’échelle microscopique. Ce manuscrit présente le protocole de fabrication complet, détaille la stratégie de contrôle des paramètres et démontre l’utilité du substrat avec des expériences de culture cellulaire représentatives. En fin de compte, cette approche fournit un outil in vitro robuste et accessible pour explorer les réponses cellulaires à un gradient de rigidité à l’échelle microscopique.