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Thèse Année : 2020

Blood flow in biomimetics microchanels

Ecoulements sanguins en microcanaux biomimétiques : étude de la fonction endothéliale

Résumé

Endothelial cells are the cells lining the inner surface of every blood vessel. Acting as a selective barrier for circulating cells and molecules, endothelial cells are directly exposed to blood flow. Such flow generates viscous friction at their surface, which induces morphological changes and is involved in the maintaining of endothelial function. Endothelial cells are able to sense blood flow thanks to mechanosensors located at their surface. These mechanosensors have been identified recently, and have been shown to be part of a polymer coating covering the surface of the cells. This gel like matrix of polymers is called the endothelial surface layer, or glycocalyx, and is of major importance for the regulation of endothelial function. Grouped under the name of endothelial function are the passive or active response of endothelial cells that maintain vascular health. The glycocalyx mechanosensing properties allow the endothelium to regulated vascular tone, its composition allow the recruitment of immune cell in case of infection or injuries and finally its implication in permeability to fluid and small molecule has been recently brought to light. In physiological condition, the endothelium adopts a particular morphology called the atheroprotective phenotype, which is a sign of a proper endothelial function.In this work, we focus on the phenotypic modification brought by perturbations of the environment of endothelial cells. To do so, we use biomimetic microfluidic devices allowing for the culture of confined endothelial cells submitted to constant hydrodynamic shear stress. Such devices allow for the observation of living or fixed endothelial cells by conventional confocal microscopy. The system is a circuit where the cell culture medium flows through a network of microchannel thanks to a syringe pump allowing an easy control of the biochemical composition of the fluid that perfuse the circuit. We find that under a physiological level of shear stress, cells display long actin stress fibers oriented parallel to the flow direction, a signature of the atheroprotective phenotype. We observe that a decrease in shear stress induces a reorganization of the actin cytoskeleton, with stress fibers being disassembled or randomly reoriented and actin being recruited at the cells’ periphery. In a second set of experiments, we challenge shear-adapted endothelial cells with a diabete-mimicking high glucose concentration, and observe that the F-actin cytoskeleton loses its flow-oriented character. Finally our system was tested for the detection of endothelial permeability. We provide of proof-of-concept by challenging cells with bradykinin, known to induce vascular leakage, and show that we are indeed able to measure an increased permeability of the endothelium cultured under constant shear stress.In conclusion, we have developed an in vitro model system suitable for the study of endothelial function and observation of phenotypic modification via microscopic observation. Our work thus brings insights into the cell response to a loss of mechanical stimulation, and to an increase in the concentration of a metabolite or a permeabilization factor. Such a biomimetic system opens routes for future studies of the endothelial function in which the combined action of mechanical and biochemical stimuli can be deciphered.
Les cellules endothéliales sont les cellules qui tapissent la surface interne de chaque vaisseau sanguin. Agissant comme une barrière sélective pour les cellules et molécules en circulation, les cellules endothéliales sont directement exposées au flux sanguin. Un tel écoulement génère des frictions à leur surface, ce qui induit des changements morphologiques et participe au maintien de la fonction endothéliale. Les cellules endothéliales sont capables de détecter les frictions du flux sanguin grâce à des mécanorécepteurs situés à leur surface. Ces mécanorécepteur ont été identifiés récemment et se sont révélés faire partie d'une couche de polymère recouvrant la surface des cellules. Cette matrice de polymères est appelée couche de surface endothéliale, ou glycocalyx, et est d'une importance majeure pour la régulation de la fonction endothéliale. Regroupées sous le nom de fonction endothéliale sont les réponses passives ou actives des cellules endothéliales qui maintiennent la santé vasculaire. Les propriétés de mécanosensibilité du glycocalyx permettent à l'endothélium de réguler la pression sanguine, sa composition permet le recrutement de cellules immunitaires en cas d'infection ou de blessure et enfin son implication dans la perméabilité au fluide et aux petites molécules a été récemment mise en évidence. En condition physiologique, l'endothélium adopte une morphologie particulière appelée le phénotype athéroprotecteur, qui est le signe d'une fonction endothéliale appropriée.Dans ce travail, nous nous concentrons sur les modifications phénotypiques apportées par les perturbations de l'environnement des cellules endothéliales. Pour ce faire, nous utilisons des dispositifs microfluidiques biomimétiques permettant la culture de cellules endothéliales confinées soumises à une contrainte de cisaillement hydrodynamique constante. De tels dispositifs permettent l'observation de cellules endothéliales vivantes ou fixées par microscopie confocale. Le système est un circuit où le milieu de culture cellulaire circule à travers un réseau de microcanaux grâce à une pompe à seringue permettant un contrôle du débit ainsi que de la composition biochimique du fluide qui perfuse le circuit. Nous constatons que sous un niveau physiologique de contrainte de cisaillement, les cellules présentent de longues fibres de stress d'actine orientées parallèlement à la direction de l'écoulement, ce qui est caractéristique du phénotype athéroprotecteur. Nous observons qu’une diminution de la contrainte de cisaillement induit une réorganisation du cytosquelette d’actine, les fibres de stress sont dépolymérisées ou réorientées au hasard et l’actine est recrutée à la périphérie des cellules. Dans une deuxième série d'expériences, nous soumettons les cellules endothéliales adaptées au cisaillement à une concentration élevée de glucose imitant le diabète, et observons que le cytosquelette d'actine perd son caractère orienté. Enfin, notre système a été testé pour la détection de la perméabilité endothéliale. Nous fournissons une preuve de concept exposant les cellules à de la bradykinine, connue pour induire des fuites vasculaires, et montrons que nous sommes en effet capables de mesurer une perméabilité accrue de l'endothélium après exposition a cette molécule.En conclusion, nous avons développé un système modèle in vitro adapté à l'étude de la fonction endothéliale et à l'observation des modifications phénotypiques via des observations microscopiques. Notre travail apporte ainsi des informations sur la réponse cellulaire à une perte de stimulation mécanique, à une augmentation de la concentration d'un métabolite et leur réponse en présence d'un facteur de perméabilisation. Un tel système biomimétique ouvre des voies pour de futures études de la fonction endothéliale dans lesquelles l'action combinée des stimuli mécaniques et biochimiques peut être déchiffrée.
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Dates et versions

tel-02951960 , version 1 (29-09-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02951960 , version 1

Citer

Mehdi Inglebert. Blood flow in biomimetics microchanels. Biomechanics [physics.med-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. English. ⟨NNT : 2020GRALY009⟩. ⟨tel-02951960⟩
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