Échafaudages bioactifs auto-assemblés ADN-collagène favorisant l’absorption cellulaire et la différenciation neuronale

Contexte académique

Dans la recherche en biologie moléculaire, l’interaction entre l’ADN et les protéines a toujours été un sujet important pour comprendre les processus cellulaires. Avec une meilleure compréhension de ces interactions, ces connaissances ont été largement appliquées dans des domaines tels que l’ingénierie tissulaire, le développement de médicaments et l’édition génétique. Parmi ces applications, les complexes ADN/collagène ont attiré une attention particulière en raison de leur utilisation dans les études de transfert de gènes. Cependant, peu de recherches ont été menées sur le potentiel de ces complexes en tant qu’échafaudages bioactifs, en particulier les caractéristiques des complexes formés par l’interaction de macrostructures d’ADN auto-assemblées avec le collagène. Cette étude vise à explorer les échafaudages bioactifs formés par l’interaction de macrostructures d’ADN auto-assemblées avec le collagène de type I et à évaluer leur potentiel dans la culture cellulaire, la délivrance de médicaments et l’ingénierie tissulaire.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Nihal Singh, Ankur Singh et Dhiraj Bhatia, du département des sciences et de l’ingénierie biologiques de l’Indian Institute of Technology Gandhinagar. L’article a été publié le 4 décembre 2024 dans la revue ACS Biomaterials Science & Engineering, sous le titre Self-Assembled DNA−Collagen Bioactive Scaffolds Promote Cellular Uptake and Neuronal Differentiation.

Processus de recherche

1. Synthèse de la macrostructure d’ADN auto-assemblée

L’étude a d’abord synthétisé une macrostructure d’ADN auto-assemblée (X-DNA Macrostructure, XDM). Le XDM est formé par l’auto-assemblage de quatre brins d’ADN simple brin (ssDNA), créant une structure ramifiée à quatre jonctions. La formation du XDM a été validée par un test de mobilité électrophorétique (EMSA).

2. Synthèse des échafaudages ADN/collagène

L’équipe de recherche a mélangé le XDM avec du collagène de type I (Collagen Type I, Coll I) à différentes fractions massiques (20 %, 50 %, 90 %) pour préparer des échafaudages composites ADN/collagène. Les solutions mélangées ont été fixées sur des lamelles de verre par séchage sous vide pour former les échafaudages. L’observation au microscope optique a montré que les échafaudages XDM/Coll I à 20 % et 50 % formaient un réseau fibreux, tandis que l’échafaudage à 90 % ne présentait pas de structure fibreuse.

3. Caractérisation des échafaudages

La morphologie des échafaudages a été caractérisée en détail par microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (SEM). Les résultats ont montré que les échafaudages XDM/Coll I à 20 % et 50 % formaient un réseau de fibres entrelacées, avec des fibres plus épaisses pour l’échafaudage à 50 %. L’AFM a en outre révélé la structure tridimensionnelle des échafaudages et la distribution de la hauteur des fibres.

4. Culture cellulaire in vitro

L’équipe de recherche a ensemencé la lignée cellulaire de cancer du sein triple négatif SUM159 sur les échafaudages XDM/Coll I pour observer la croissance et la prolifération des cellules. Les résultats ont montré que l’échafaudage XDM/Coll I à 50 % favorisait la croissance orientée des cellules et que l’échafaudage agissait comme un substrat mou, soutenant la croissance des cellules tout en réduisant l’organisation de la F-actine.

5. Expérience d’absorption cellulaire

Pour évaluer l’effet des échafaudages sur l’endocytose, l’équipe a utilisé de la transferrine marquée au FITC pour mesurer l’absorption cellulaire. Les résultats ont montré que l’échafaudage XDM/Coll I à 50 % augmentait significativement la capacité d’absorption de la transferrine par les cellules, indiquant que l’échafaudage agissait comme un substrat mou favorisant l’endocytose.

6. Expérience de différenciation neuronale

L’équipe a ensemencé des cellules de neuroblastome SH-SY5Y sur les échafaudages XDM/Coll I pour observer leur différenciation en neurones matures. Les résultats ont montré que les échafaudages XDM/Coll I à 20 % et 50 % favorisaient significativement la différenciation des cellules SH-SY5Y, avec la formation de nombreuses extensions neuronales, et que l’efficacité de différenciation était supérieure à celle des groupes témoins.

Résultats principaux

1. Structure fibreuse des échafaudages : Les échafaudages XDM/Coll I à 20 % et 50 % ont formé un réseau de fibres entrelacées, avec des fibres plus épaisses pour l’échafaudage à 50 %. L’AFM et la SEM ont en outre révélé la structure tridimensionnelle des échafaudages et la distribution de la hauteur des fibres.
2. Croissance et prolifération cellulaire : L’échafaudage XDM/Coll I à 50 % a favorisé la croissance orientée des cellules et a agi comme un substrat mou, soutenant la croissance des cellules tout en réduisant l’organisation de la F-actine.
3. Capacité d’absorption cellulaire : L’échafaudage XDM/Coll I à 50 % a significativement augmenté la capacité d’absorption de la transferrine par les cellules, indiquant que l’échafaudage agissait comme un substrat mou favorisant l’endocytose.
4. Différenciation neuronale : Les échafaudages XDM/Coll I à 20 % et 50 % ont significativement favorisé la différenciation des cellules SH-SY5Y, avec la formation de nombreuses extensions neuronales, et l’efficacité de différenciation était supérieure à celle des groupes témoins.

Conclusion

Cette étude rapporte pour la première fois la formation d’échafaudages bioactifs résultant de l’interaction entre une macrostructure d’ADN auto-assemblée et le collagène de type I. Ces échafaudages présentent une structure fibreuse unique, capable de soutenir la croissance cellulaire, de favoriser l’endocytose et d’induire la différenciation neuronale. Ces échafaudages ont un large potentiel d’application dans les domaines des neurosciences, de la délivrance de médicaments, de l’ingénierie tissulaire et de la culture cellulaire in vitro.

Points forts de la recherche

1. Nouveau matériau d’échafaudage : Cette étude est la première à combiner une macrostructure d’ADN auto-assemblée avec du collagène pour former des échafaudages bioactifs à structure fibreuse unique.
2. Applications multifonctionnelles : Ces échafaudages soutiennent non seulement la croissance cellulaire, mais favorisent également l’endocytose et la différenciation neuronale, offrant des perspectives d’application étendues.
3. Effet de substrat mou : Les échafaudages agissant comme un substrat mou ont significativement influencé les modes de croissance cellulaire et l’endocytose, ouvrant de nouvelles perspectives pour l’ingénierie tissulaire et la délivrance de médicaments.

Autres informations utiles

Cette étude fournit également des méthodes expérimentales détaillées et des analyses de données, offrant une référence pour les recherches futures. De plus, l’équipe de recherche a exploré le potentiel d’application des échafaudages sur différents types de cellules, jetant les bases pour des études ultérieures.