Effet des forces générées par le flux sanguin sur la microvasculature du cerveau humain dans un microvaisseau sur puce en 3D.

Effect of blood flow-derived forces on human brain microvasculature in a 3D microvessel-on-chip.

• Auteur / Autrice : Clara Ramón lozano
• Direction : Abdul I. Barakat, Avin Babataheri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 28/04/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Manneville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdul I. Barakat, Avin Babataheri, Kristina Haase, Nabila Bouatia Naji, Stephen White, Stéphanie Descroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kristina Haase, Nabila Bouatia Naji

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noyau cellulaire

Cytosquelette

Pression artérielle

Cellules endothéliales

Mots clés libres

Cellules endothéliales cérébrales

Microvaisseau sur puce

Tension

Contrainte de cisaillement

Cytosquelette

Noyau

Brain endothelial cells

Microvessel-On-Chip

Stretch

Shear stress

Cytoskeleton

Nucleus

Résumé

La barrière hémato-encéphalique (BBB) est un réseau vasculaire qui régule l'échange des molécules entre le sang et le cerveau. L'intégrité de la BBB est critique et des facteurs qui la compromettent ont été impliqués dans des maladies neurodégénératives. L’influence des forces mécaniques dans la régulation de la structure et de la fonction de la BBB est de plus en plus reconnue, mais les mécanismes sous-jacents restent aujourd’hui mal compris.Les forces générées par le flux sanguin sont des régulatrices clés de la structure et de la fonction vasculaire, affectant directement les cellules endothéliales (CEs) vasculaires qui tapissent l'intérieur des vaisseaux sanguins. Bien que différents types de CEs vasculaires présentent des réponses humorales, métaboliques et structurelles aux forces dérivées de l'écoulement, le cas spécifique des CEs du cerveau est beaucoup moins connu. En utilisant un système expérimental de microvaisseau sur puce, ce projet étudie le remodelage des CEs cérébrales induit par les variations du flux sanguin.Différents dispositifs in vitro ont été développés par différents groupes pour reproduire la BBB, mais la plupart manquent d'un environnement mécanique réaliste. Les premières étapes de ce projet étaient de développer un système de vaisseau sur puce permettant la coculture de cellules de la BBB en présence de forces dérivées du flux sanguin. Les microvaisseaux ont été conçus à partir d’un système précédemment développé dans notre groupe. Bien que j’aie principalement étudié les CE cérébrales, j'ai également démontré la capacité de co-cultiver des péricytes et des astrocytes dans la puce. En utilisant un gradient de pression hydrostatique, la pression luminale et la force de cisaillement sont contrôlées.La tension circonférentielle domine le remodelage des CEs de microvaisseaux cérébraux humains (HBMEC). En particulier, la tension induit une réorientation de l'actine dans la direction de la tension et provoque la formation de fibres de tension ventrale. Contrairement à ce qui a été observé chez d'autres CEs vasculaires, l'étirement n'est pas associé à des changements de forme générale de la cellule, de son noyau, ou de l’orientation des filaments intermédiaires. De même, la force de cisaillement n'induit pas de changements dans l'actine, les filaments intermédiaires ou les noyaux. La polarité cellulaire planaire (PCP) a été étudiée pour comprendre ces observations en analysant la position relative des noyaux et de l’appareil de Golgi. Sous une force de cisaillement et une pression luminal modérées, une PCP partielle peut être détectée.Comme le flux et la tension sont combinés dans ce système, j'ai ensuite comparé les réponses cellulaires observées à celles dans une chambre de flux avec des plaques parallèles (chambre IBIDI). Dans cette chambre, les HBMEC sont uniquement exposées à la force du cisaillement, et elles répondent de manière similaire à d'autres CEs vasculaires. L'actine et les filaments intermédiaires s'alignent dans la direction du flux, tout comme les noyaux, et une polarisation cellulaire est observée. En revanche, aucun changement de la forme des cellules ou de leur noyau n'est visible.Grâce au développement d'une plateforme vasculaire in vitro qui permet la combinaison de multiples signaux biophysiques, les effets de la force de cisaillement et de la tension circonférentielle ont été étudiés dans l'endothélium microvasculaire du cerveau humain. Les résultats actuels suggèrent que la tension circonférentielle déclenche des réponses structurelles fortes dans les HBMEC et mettent en évidence la réactivité mécanique distincte de ces cellules par rapport à d’autres cellules endothéliales. Les études futures se concentreront sur l'impact de ces changements structurels sur la fonction de barrière des HBMEC, un paramètre important dans le bon fonctionnement du cerveau.

The blood-brain barrier (BBB) is a vascular network that tightly regulates the exchange of small and large molecules between the blood and the brain. BBB integrity is critical, and factors that compromise this integrity have been implicated in neurodegeneration. There is increasing evidence that mechanical forces may be potent regulators of BBB structure and function; however, the mechanical factors involved and the underlying mechanisms remain unknown.Forces generated by flowing blood are key regulators of vascular structure and function and directly affect vascular endothelial cells (ECs) that line the inner surfaces of blood vessels. Although ECs from various vascular beds have been shown to exhibit humoral, metabolic and structural responses to flow-derived forces, much less is known about the specific case of brain microvascular ECs. Using a microvessel-on-chip, I studied brain microvascular EC remodelling induced by variations in cerebral blood flow.A few groups around the world have focused on developing in vitro devices to reproduce the BBB on a chip, but most of them lack a realistic mechanical environment. The first steps of this project were to develop a microvessel-on-chip system that would allow co-culture of BBB cells in the presence of blood flow-derived forces. The microvessels were based on a previous model developed in our group and was fabricated in a soft collagen hydrogel using the templating technique. Although I focused principally on brain microvascular ECs, I was also able to demonstrate the ability to co-culture pericytes and astrocytes in the chip. Different shear stress and luminal pressure levels were independently controlled by modulating the hydrostatic pressure gradient.The response of human brain microvascular ECs (HBMECs) to circumferential stretch and shear stress was investigated in the microvessel-on-chip. I observed that circumferential stretch is the dominant driver of HBMEC structural remodelling. In particular, stretch induces F-actin reorientation in the direction of stress (perpendicular to flow) and elicits the formation of prominent ventral stress fibres. Contrary to what has been observed in other vascular ECs, stretch is not associated with changes in nuclear shape or orientation, overall cell shape or intermediate filament orientation. Likewise, changes in shear stress in the microvessel fail to elicit actin, intermediate filaments or nuclear responses. HBMEC planar cell polarity (PCP) was also investigated by studying the relative positioning of the nucleus and Golgi apparatus. Those studies revealed partial PCP in response to moderate flow and stretch levels.Because flow in this system subjects the cells to both shear stress and stretch simultaneously, I compared the observed responses with those obtained using a parallel-plate flow chamber, where the cells are only subjected to shear stress. HBMECs exposed to shear stress alone respond similarly to other vascular ECs. Actin filaments, intermediate filaments, and nuclei align in the flow direction. However, no change in nuclear area or roundness is observed. Overall cell shape also does not change significantly. HBMECs exhibit PCP in response to shear stress.Thanks to the development of an in vitro vascular platform that allows the combination of multiple flow-derived biophysical cues, the effects of shear stress and circumferential stretch were investigated in human brain microvascular endothelium. The present findings suggest that pressure-induced stretch triggers extensive structural responses in HBMECs and underscore the distinct mechano-responsiveness of these cells relative to ECs from other vascular beds. Future studies will focus on how these structural changes potentially impact HBMEC barrier function, an important parameter in brain health and disease.