Impact des nanostructures topographiques sur les activités métaboliques cellulaires : de nouvelles découvertes révélées par imagerie multimodale

Contexte académique

Dans le domaine biomédical, l’interaction entre les cellules et les surfaces des matériaux est essentielle pour étudier le comportement cellulaire, l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative. Il a été démontré que les structures topographiques à l’échelle nanométrique (nanotopographie) influencent de manière significative la morphologie, l’adhésion, la prolifération et la différenciation des cellules. Cependant, la manière dont les nanostructures topographiques régulent les activités métaboliques cellulaires via un microenvironnement mécanique et géométrique reste une question incomplètement comprise. Le métabolisme cellulaire est au cœur des fonctions cellulaires, impliquant la production d’énergie, la synthèse de biomolécules et l’équilibre redox, entre autres. Comprendre l’impact des nanostructures topographiques sur le métabolisme cellulaire permet non seulement de révéler les mécanismes d’interaction entre les cellules et les matériaux, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour la conception de plateformes de culture cellulaire innovantes et l’optimisation des stratégies de thérapie cellulaire.

Cette étude vise à élucider les mécanismes de régulation des activités métaboliques cellulaires par les nanostructures topographiques grâce à des techniques d’imagerie optique multimodale. Plus précisément, l’équipe de recherche a utilisé des réseaux de nanopiliers (nanopillar arrays) comme système modèle pour explorer l’impact dynamique des nanostructures topographiques sur le métabolisme cellulaire, incluant des processus clés tels que le stress oxydatif, la synthèse des protéines et des lipides, ainsi que le degré d’insaturation des lipides.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Zhi Li, Einollah Sarikhani, Sirasit Prayotamornkul, Dhivya Pushpa Meganathan, Zeinab Jahed et Lingyan Shi, issus du département de bioingénierie et de génie chimique et nanotechnologique de l’Université de Californie à San Diego (University of California San Diego). L’article a été publié le 18 novembre 2024 dans la revue Chemical & Biomedical Imaging, sous le titre Multimodal Imaging Unveils the Impact of Nanotopography on Cellular Metabolic Activities.

Méthodologie et résultats

1. Fabrication et caractérisation des réseaux de nanopiliers

L’étude a commencé par la fabrication de réseaux de nanopiliers avec différents paramètres géométriques sur des plaquettes de quartz, en utilisant des techniques telles que la photolithographie, la déposition de chrome, le lift-off et la gravure ionique réactive profonde (DRIE). Trois configurations ont été testées : diamètre de 1 µm et espacement de 2,5 µm (D1P2.5) ; diamètre de 1 µm et espacement de 3,5 µm (D1P3.5) ; et diamètre de 2 µm et espacement de 4,5 µm (D2P4.5). La structure des nanopiliers a été caractérisée avec précision par microscopie électronique à balayage (SEM) pour s’assurer que les paramètres géométriques correspondaient aux spécifications.

2. Culture cellulaire et imagerie multimodale

Les cellules Hela ont été utilisées comme modèle et ensemencées sur des réseaux de nanopiliers et des surfaces planes. Pour étudier les changements dynamiques du métabolisme cellulaire, l’équipe a développé une plateforme d’imagerie optique multimodale combinant la microscopie à fluorescence biphotonique (TPF) et la microscopie à diffusion Raman stimulée (SRS). La TPF a été utilisée pour imager le nicotinamide adénine dinucléotide réduit (NADH) et le flavine adénine dinucléotide (FAD), tandis que la SRS a permis de visualiser la dynamique métabolique des lipides et des protéines.

3. Changements morphologiques cellulaires et nucléaires

Grâce à la microscopie à fluorescence et à l’analyse morphologique, l’étude a révélé que les réseaux de nanopiliers influencent de manière significative la morphologie cellulaire et nucléaire. Par rapport aux surfaces planes, les cellules sur les nanopiliers présentaient une surface cellulaire plus petite et une circularité réduite, indiquant une déformation accrue des cellules. De plus, les noyaux des cellules sur les nanopiliers étaient plus petits mais présentaient une circularité plus élevée, suggérant que les noyaux conservaient une forme plus régulière.

4. Changements des activités métaboliques cellulaires

L’imagerie multimodale a permis de quantifier les activités métaboliques des cellules sur les nanopiliers et les surfaces planes. Les résultats ont montré que les cellules sur les nanopiliers présentaient un niveau de stress oxydatif plus faible, des taux de synthèse des protéines et des lipides réduits, ainsi qu’un degré d’insaturation des lipides plus bas. Ces changements indiquent que les nanopiliers régulent les voies métaboliques cellulaires via des signaux mécaniques, affectant le métabolisme énergétique et la synthèse des biomolécules.

5. Analyse multivariée et profils métaboliques

L’étude a également utilisé des analyses multivariées (comme UMAP et le clustering hiérarchique) pour révéler l’impact significatif des paramètres géométriques des nanopiliers sur le métabolisme cellulaire. En particulier, les variations d’espacement entre les nanopiliers avaient un effet plus marqué sur le métabolisme que les variations de diamètre. Les profils métaboliques des cellules sur les nanopiliers différaient clairement de ceux des cellules sur les surfaces planes, confirmant que les nanostructures topographiques peuvent moduler l’état métabolique des cellules via des signaux mécaniques.

Conclusion et implications

Cette étude démontre que les nanostructures topographiques peuvent non seulement modifier la morphologie cellulaire et nucléaire, mais aussi réguler de manière significative les activités métaboliques des cellules. Plus précisément, les nanopiliers réduisent le stress oxydatif, diminuent la synthèse des protéines et des lipides, et réduisent l’insaturation des lipides via des signaux mécaniques. Ces découvertes fournissent une base théorique importante pour la conception de nouvelles plateformes de culture cellulaire et l’optimisation des stratégies de thérapie cellulaire. Par exemple, dans les systèmes d’administration de médicaments, comprendre l’interaction entre les cellules et les nanostructures peut aider à concevoir des nanovecteurs plus efficaces, améliorant ainsi l’absorption et l’efficacité des médicaments. En médecine régénérative, des échafaudages avec des nanostructures topographiques spécifiques pourraient guider la formation tissulaire en régulant le métabolisme cellulaire, augmentant ainsi les chances de succès de l’ingénierie tissulaire.

Points forts de l’étude

1. Innovation dans l’application des techniques d’imagerie multimodale : L’équipe a développé une plateforme combinant TPF et SRS, permettant de visualiser et de quantifier les activités métaboliques cellulaires à l’échelle subcellulaire.
2. Impact significatif des nanostructures topographiques sur le métabolisme cellulaire : Les nanopiliers régulent de manière significative des processus métaboliques clés tels que le stress oxydatif et la synthèse des protéines et des lipides.
3. Importance des paramètres géométriques : L’étude révèle que l’espacement entre les nanopiliers a un effet plus marqué sur le métabolisme que le diamètre, offrant de nouvelles perspectives pour la conception de nanomatériaux fonctionnels.

Autres informations pertinentes

L’étude a également montré que les changements morphologiques des noyaux cellulaires sur les nanopiliers pourraient être liés à des modifications de l’organisation de la chromatine et de l’expression génique, ouvrant de nouvelles voies pour explorer les mécanismes de régulation du destin cellulaire par les nanostructures topographiques. De plus, l’équipe a développé un pipeline d’analyse de données basé sur Python pour traiter les données d’imagerie multimodale, fournissant un outil méthodologique précieux pour les recherches futures.

Cette étude non seulement révèle les mécanismes de régulation du métabolisme cellulaire par les nanostructures topographiques, mais offre également de nouvelles perspectives et méthodes pour plusieurs applications dans le domaine biomédical.