Études théoriques et expérimentales des dommages dynamiques des réseaux cellulaires endothéliaux sous cavitation ultrasonore

Les cellules endothéliales (Endothelial Cells) jouent un rôle crucial dans le système vasculaire, régulant l’hémostase, la vasodilatation, les réponses immunitaires et inflammatoires à travers les jonctions intercellulaires (Intercellular Junctions, IJs). Cependant, une charge mécanique excessive peut entraîner des dommages aux cellules endothéliales et une dysfonction de la barrière endothéliale. Comprendre les mécanismes dynamiques de rupture des jonctions intercellulaires est essentiel pour explorer des applications pratiques telles que la destruction tumorale, le remodelage vasculaire et l’administration de médicaments. La cavitation ultrasonore (Ultrasound Cavitation), une technologie émergente, peut générer des énergies locales élevées grâce aux vibrations et à la rupture de bulles, causant ainsi des dommages aux tissus mous. Cependant, les mécanismes de dommages causés par la cavitation ultrasonore sur les réseaux de cellules endothéliales restent mal compris, ce qui limite son utilisation précise dans le domaine médical. Par conséquent, cette étude vise à révéler les mécanismes dynamiques de dommages causés par la cavitation ultrasonore sur les réseaux de cellules endothéliales à travers une modélisation théorique et une validation expérimentale.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Chuangjian Xia, Jiwen Hu, Kun Zhou, Yingjie Li, Sha Yuan et Qinlin Li, issus de l’École de Mathématiques et Physique, de l’École de Médecine de Hengyang et de l’École d’Ingénierie Électrique de l’Université de Chine du Sud. L’article a été publié en ligne le 28 novembre 2024 dans la revue Cellular and Molecular Bioengineering, sous le titre “Theoretical and Experimental Studies of the Dynamic Damage of Endothelial Cellular Networks under Ultrasound Cavitation”.

Processus et détails de la recherche

1. Modélisation théorique

L’équipe de recherche a d’abord établi un modèle de réseau cellulaire basé sur une structure hexagonale composite, simulant les connexions entre les cellules endothéliales. Les jonctions intercellulaires sont supposées être composées de systèmes de ressorts non linéaires, possédant des propriétés viscoélastiques et d’amortissement. Le modèle prend en compte trois types de connexions : les jonctions intercellulaires, les connexions internes des fibres cellulaires et les connexions entre les cellules et la matrice. En introduisant des méthodes de relaxation de contrainte (Stress Relaxation) et d’accumulation de déformation (Strain Accumulation), la réponse dynamique du réseau cellulaire sous l’effet de forces externes a été simulée.

2. Simulation numérique

L’étude a utilisé la méthode de Runge-Kutta (4,5) pour résoudre numériquement le modèle, simulant le processus d’évolution des dommages dans le réseau cellulaire sous différentes conditions de forces externes. En ajustant l’amplitude de la force (Force Amplitude), la fréquence de pilotage (Driving Frequency) et la fréquence des impulsions (Pulse Frequency), l’effet cumulatif des dommages sur le réseau cellulaire a été analysé. Les résultats de la simulation montrent que les dommages au réseau cellulaire sont positivement corrélés à l’amplitude de la force et à la fréquence des impulsions, et négativement corrélés à la fréquence de pilotage.

3. Validation expérimentale

La partie expérimentale a utilisé des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs) comme sujet d’étude. Le dispositif expérimental comprenait un transducteur à ultrasons focalisés (Focused Ultrasound Transducer) pour générer l’effet de cavitation ultrasonore. À l’aide d’un microscope et du logiciel de traitement d’images ImageJ, les chercheurs ont enregistré la morphologie des dommages subis par les HUVECs sous différentes énergies ultrasonores et fréquences d’impulsion. Les résultats expérimentaux montrent que la cavitation ultrasonore a un effet cumulatif significatif sur les dommages au réseau de cellules endothéliales, et que le taux de dommages est positivement corrélé à l’énergie ultrasonore.

Principaux résultats

1. Réponse contrainte-déformation

Les résultats de simulation montrent que la réponse contrainte-déformation des jonctions intercellulaires présente des caractéristiques non linéaires significatives. Lorsque la déformation est inférieure à 0,02, la contrainte et la déformation sont positivement corrélées ; lorsque la déformation est comprise entre 0,02 et 0,05, la connexion entre dans une phase de renforcement ; et lorsque la déformation dépasse 0,05, la connexion entre dans une phase de compression, conduisant finalement à la rupture. Ces résultats sont cohérents avec le comportement mécanique des fibres de fibrine.

2. Accumulation des dommages cellulaires

Les simulations et les expériences montrent toutes deux que les dommages au réseau cellulaire présentent un effet cumulatif marqué. Sous de faibles charges, les dommages cellulaires commencent à augmenter de manière significative après 1800 cycles ; tandis que sous des charges élevées, le taux de dommages atteint 60 % après 3000 cycles. Les expériences valident en outre l’efficacité du modèle, montrant que la cavitation ultrasonore sur le réseau de cellules endothéliales a un effet de seuil, les dommages augmentant de manière significative lorsque l’énergie ultrasonore dépasse 0,3 J.

3. Évolution de la morphologie des dommages

Les simulations et les expériences ont toutes deux observé des phénomènes de déchirure du réseau cellulaire et de migration des cellules. Sous l’effet continu de forces externes, les jonctions intercellulaires se rompent progressivement, formant de grands espaces, et certaines cellules se détachent de leur position initiale pour former des “îlots cellulaires”. Ce phénomène est hautement cohérent avec les observations faites lors des expériences de cavitation ultrasonore.

Conclusions et signification

Cette étude, à travers une modélisation théorique et une validation expérimentale, révèle les mécanismes dynamiques de dommages causés par la cavitation ultrasonore sur les réseaux de cellules endothéliales. Les résultats montrent que les dommages au réseau cellulaire sont étroitement liés à l’amplitude, à la fréquence et à la fréquence des impulsions des forces externes, et que les dommages présentent un effet cumulatif. Ces découvertes fournissent une base théorique importante pour l’application de la cavitation ultrasonore dans des domaines tels que le traitement des tumeurs, le remodelage vasculaire et l’administration de médicaments. De plus, le modèle de réseau cellulaire proposé dans cette étude offre une nouvelle plateforme pour comprendre les mécanismes de dommages des tissus endothéliaux, contribuant au développement de méthodes de prévention et de traitement plus efficaces.

Points forts de la recherche

1. Modèle innovant : Première application d’une structure hexagonale composite à la modélisation des réseaux de cellules endothéliales, prenant en compte les caractéristiques non linéaires et viscoélastiques des jonctions intercellulaires.
   
2. Validation multi-échelle : Combinaison de simulations numériques et de validations expérimentales pour révéler de manière exhaustive les mécanismes de dommages causés par la cavitation ultrasonore sur les réseaux de cellules endothéliales.
   
3. Valeur applicative : Les résultats de la recherche fournissent un soutien théorique important pour l’application précise de la cavitation ultrasonore dans le domaine médical, en particulier dans le traitement des tumeurs et l’administration de médicaments.
   

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également découvert que les ultrasons de basse fréquence provoquent plus facilement des dommages au réseau cellulaire, ce qui fournit une référence importante pour l’optimisation des paramètres de la technologie de cavitation ultrasonore. De plus, le modèle proposé peut être étendu à d’autres types de cellules et de tissus, offrant un nouvel outil pour la recherche en biomécanique.