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Engineered Extracellular Matrices with Integrated Wireless Microactuators to Study Mechanobiology

Résumé

Mechanobiology explores how forces regulate cell behaviors and what molecular machinery are responsible for the sensing, transduction, and modulation of mechanical cues. To this end, probing of cells cultured on planar substrates has served as a primary experimental setting for many decades. However, native extracellular matrices (ECMs) consist of fibrous protein assemblies where the physical properties spanning from the individual fiber to the network architecture can influence the transmission of forces to and from the cells. Here, a robotic manipulation platform that allows wireless, localized, and programmable deformation of an engineered fibrous ECM is introduced. A finite-element-based digital twin of the fiber network calibrated against measured local and global parameters enables the calculation of deformations and stresses generated by different magnetic actuation schemes across a range of network properties. Physiologically relevant mechanical forces are applied to cells cultured on the fiber network, statically or dynamically, revealing insights into the effects of matrix-borne forces and deformations as well as force-mediated matrix remodeling on cell migration and intracellular signaling. These capabilities are not matched by any existing approach, and this versatile platform has the potential to uncover fundamental mechanisms of mechanobiology in settings with greater relevance to living tissues.

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Ingénierie tissulaire
L'ingénierie tissulaire ou génie tissulaire (en anglais, tissue engineering) est l'ensemble des techniques faisant appel aux principes et aux méthodes de l'ingénierie, de la culture cellulaire, des sciences de la vie, des sciences des matériaux pour comprendre les relations entre les structures et les fonctions des tissus normaux et pathologiques des mammifères, afin de développer des substituts biologiques pouvant restaurer, maintenir ou améliorer les fonctions des tissus.
Matrice extracellulaire
La matrice extracellulaire est, dans des organismes vivants, un réseau tridimensionnel de macromolécules extracellulaires qui constitue la charpente des tissus. Appelé aussi ciment intercellulaire chez les animaux, ce réseau est présent dans tous les tissus animaux et est un support pour l'adhésion cellulaire. La matrice est constituée en grande partie de glycoprotéines et de protéines, ainsi que de glycosaminoglycanes chez les animaux et des pectines dans celle des végétaux.
Signalisation cellulaire
La signalisation cellulaire est un système complexe de communication qui régit les processus fondamentaux des cellules et coordonne leur activité. La capacité des cellules à percevoir leur micro-environnement et à y répondre correctement est à la base de leur développement et de celui des organismes multicellulaires, de la cicatrisation et du système immunitaire, ainsi que de l'homéostasie tissulaire normale. Des dysfonctionnements dans le traitement de l'information cellulaire peuvent être responsables de maladies telles que le cancer, les maladies auto-immunes et le diabète.
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