TLa danse du développement est électrique. Les gradients bioélectriques chorégraphier croissance embryonnaire, signalant aux cellules souches quels types de cellules elles doivent devenir, où elles doivent voyager, qui devraient être leurs voisins et quelles structures elles doivent former.1 L’intensité et la localisation de ces signaux servent d’échafaudage électrique pour cartographier les caractéristiques anatomiques et guider le développement. La bioélectricité façonne également les tissus régénération.2 L’exploitation de ces mécanismes présente un intérêt particulier pour les chercheurs qui s’attaquent au défi de régénérer les nerfs blessés.3
Une équipe curieuse de l’Université de Stanford et de l’Université d’Arizona a récemment rapporté une nouvelle approche utilisant des hydrogels conducteurs pour induire la différenciation des cellules souches mésenchymateuses humaines en neurones et oligodendrocytes in vitro.4 Leurs conclusions, publiées dans la Journal de chimie des matériaux Bfournissent une preuve de principe importante pour les études futures sur les matériaux biocompatibles destinés à augmenter électriquement les cellules transplantées et endogènes après une blessure.
Paul George est médecin scientifique à l’Université de Stanford.
Médecine de Stanford
« Notre laboratoire utilise différents polymères pour interagir avec le système nerveux. Nous pensons qu’il existe une fenêtre après la blessure qui semble refléter le développement », a déclaré Paul Georgemédecin-chercheur à l’université de Stanford et co-auteur de cette étude. « Étant donné qu’une grande partie du développement est guidée par des gradients et des champs électriques, nous avons essayé de créer un hydrogel doté d’un gradient comme celui que l’on peut observer dans le corps en développement et qui pourrait guider les cellules souches pour qu’elles se différencient de certaines manières ou forment certaines structures. »
Les hydrogels sont un matériau biocompatible très prisé par les ingénieurs tissulaires qui tentent d’imiter l’environnement natif des cellules. Ils retiennent de grands volumes d’eau, leur rigidité et leurs propriétés tridimensionnelles peuvent être contrôlées et ils peuvent être remplis de charges électroconductrices. « Il existe de nombreuses applications potentielles intéressantes pour la médecine régénérative, la modélisation in vitro et potentiellement la biofabrication », a déclaré Nisha Iyeringénieur biomédical à l’université Tufts, qui n’a pas participé à l’étude. « L’idée que l’on puisse utiliser des champs électriques et des propriétés mécaniques 3D pour influencer les cellules souches sans avoir à utiliser différents types de biomolécules ou de facteurs de croissance coûteux pour favoriser la différenciation est extrêmement motivante. »
George et son équipe ont identifié un modèle de différenciation spécifique en fonction de la proximité des cellules souches avec des champs électriques uniformes ou variables. Les cellules situées au centre de l’hydrogel se sont différenciées en une lignée d’oligodendrocytes en réponse à un champ électrique constant, tandis que celles situées à la périphérie ont tendance à se différencier en neurones en réponse à un champ électrique variable moins intense. L’étude de George est unique car la plupart des études in vitro sur la bioélectricité pour la régénération neuronale se concentrent sur les champs électriques statiques plutôt que sur les gradients. Le contrôle spatial des gradients électriques a le potentiel d’imiter ceux trouvés pendant le développement et de faciliter la régénération neuronale après une transplantation de cellules souches dans les études futures.
« C’est une belle étude de démonstration de principe. Je pense qu’il reste encore beaucoup de travail à faire avant de pouvoir l’utiliser concrètement en laboratoire », a déclaré Iyer. Bien que préliminaires, ces travaux constituent une première étape importante pour de futures études de transplantation de cellules souches et d’hydrogels à gradient conducteur, qui pourraient interagir avec le système nerveux lésé pour potentiellement améliorer la récupération. « Cette plateforme a été notre première incursion dans la tentative de contrôler ces gradients et de mieux comprendre les signaux de développement », a déclaré George. « Il y a encore tellement de choses qui restent inconnues et si nous pouvons remonter un peu le temps, nous pourrons peut-être aider les patients qui ont subi une lésion nerveuse périphérique ou un AVC à se rétablir un peu mieux. »
Références
1. Levin M, Stevenson CG. Régulation du comportement cellulaire et de la structuration tissulaire par des signaux bioélectriques : défis et opportunités pour l’ingénierie biomédicale. Annu Rev Biomed Eng. 2012;14:295-323.
2. Mathews J, Levin M. Le corps électrique 2.0 : avancées récentes en bioélectricité développementale pour la bio-ingénierie régénérative et synthétique. Opinion actuelle sur Biotechnol. 2018;52:134-144.
3. Oh B, et al. Moduler le microenvironnement électrique et mécanique pour guider la différenciation des cellules souches neuronales. Sciences avancées. 2021;8(7):2002112.
4. Song S et al. Les hydrogels à gradient conducteur permettent un contrôle spatial du destin des cellules souches adultes. J Mater Chem B. 2024;12(7):1854-1863.
