Image au microscope électronique d’oxyde de zinc tétrapodal. Les cristaux à quatre bras forment la structure initiale des aérohydrogels, qui se transforme ensuite en un réseau d’hydrogel ultraléger. Crédit : AG Funktionale Nanomaterialien, Université de Kiel
Jusqu’à présent, les cultures cellulaires 3D classiques étaient souvent trop rigides ou trop instables pour reproduire fidèlement les interactions complexes entre les cellules cérébrales. Des chercheurs de l’Université de Kiel (CAU) en Allemagne ont mis au point un nouveau matériau 3D sur lequel les cellules cérébrales humaines peuvent se développer et échanger des signaux en laboratoire. Ceci permet d’étudier les processus neuronaux et la communication cellulaire dans des conditions beaucoup plus proches des conditions physiologiques réelles.
Une équipe interdisciplinaire dirigée par le Dr Stefan Schröder, spécialiste des matériaux à la Faculté d’ingénierie, a mis au point des aérohydrogels : des échafaudages ultralégers à fibres creuses qui offrent aux astrocytes et à la microglie un environnement tridimensionnel réaliste. L’équipe publie ses résultats dans la revue Chem & Bio Engineering , en collaboration avec des chercheurs de la Harvard Medical School (États-Unis) et de l’Université d’Oxford (Royaume-Uni).
Ces échafaudages sont constitués de cristaux d’oxyde de zinc tétrapodes (t-ZnO) qui forment initialement un squelette 3D interconnecté. L’équipe a ensuite recouvert cette structure d’une couche d’hydrogel ultra-mince par dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD). L’oxyde de zinc a ensuite été éliminé, laissant apparaître une structure d’hydrogel légère qui assure le soutien structurel tout en permettant la diffusion des nutriments et des molécules de signalisation.
Comparativement aux matrices cellulaires 3D classiques, qui se dissolvent souvent après quelques jours seulement ou offrent une flexibilité limitée quant à la taille des pores, les aérohydrogels restent stables et permettent un contrôle indépendant de la taille des pores, des propriétés mécaniques et de la chimie de surface. Dans de nombreuses autres matrices, ces paramètres sont interdépendants et ne peuvent être ajustés séparément pour des types cellulaires spécifiques.
Astrocytes fluorescents observés au microscope : le cytosquelette apparaît en rouge, la connexine 43, marqueur spécifique des astrocytes, en vert, et le noyau cellulaire en bleu. Crédit : Luise Schlotterose
« Nos aérohydrogels imitent l’espace extracellulaire du cerveau », explique le professeur Rainer Adelung, expert reconnu dans le développement de l’oxyde de zinc tétrapodal et co-auteur de l’étude. « Nous pouvons ajuster précisément des propriétés mécaniques telles que la rigidité et la taille des pores. À terme, cela nous permettra d’adapter les matrices à différents types de tissus ; par exemple, le tissu cardiaque est beaucoup plus rigide que le tissu cérébral, et les aérohydrogels pourront compenser ces différences. »
Les chercheurs utilisent également cette même technologie de revêtement iCVD au sein de la start-up fondée par Schröder et le premier auteur, Torge Hartig, à l’université de Kiel. À terme, l’entreprise pourrait commercialiser ces échafaudages 3D.
Les cellules cérébrales forment des réseaux dans un support ultraléger.
Sur le plan médical, les chercheurs ont travaillé avec des cellules cérébrales humaines : les astrocytes, qui contribuent au maintien de la santé des tissus nerveux, et la microglie, qui agit comme des cellules immunitaires détectant les menaces potentielles et y répondant.
Pour étudier comment ces cellules communiquent entre elles, la co-auteure, la Dre Luise Schlotterose de l’Université d’Oxford, a utilisé un réactif classique : le lipopolysaccharide (LPS), un composé bactérien qui déclenche des réponses inflammatoires. Avec ses collègues de l’Institut d’anatomie, elle a ensuite examiné la réponse cellulaire au niveau moléculaire en analysant l’activité de gènes spécifiques régulant les molécules de signalisation inflammatoires.
Les résultats ont montré que les microglies réagissent différemment lorsqu’elles sont cultivées seules sur l’aérohydrogel, comparées à des co-cultures avec des astrocytes. En présence d’astrocytes, certaines réponses inflammatoires étaient atténuées, ce qui indique que les cellules communiquent via l’échafaudage 3D même sans contact direct.
Au sein des aérohydrogels, les processus neuronaux, la communication cellulaire et les réponses aux stimuli externes pourraient être étudiés de manière bien plus réaliste que dans les cultures 2D ou 3D classiques. À long terme, les aérohydrogels pourraient aider les chercheurs à recréer des tissus endommagés ou perdus en laboratoire. Cette approche pourrait également contribuer à réduire le recours à l’expérimentation animale, car les interactions cellulaires complexes pourraient être étudiées directement in vitro.
https://www.uni-kiel.de/en/details/news/032-neues-3d-material-laesst-gehirnzellen-kommunizieren
