Développement d'un modèle in vitro d'exposition chronique aux forces de cisaillement pariétal sur primocultures de cellules endothéliales coronaires de rat pour l'évaluation de la dysfonction endothéliale in vitro

Development of an in vitro chronic shear stress apparatus on rat coronary endothelial cells for the study of endothelial dysfunction in vitro.

• Auteur / Autrice : David Preterre
• Direction : Jean-Paul Morin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire. Cardiovasculaire
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie -- Méthodologie

Monoxyde d'azote

Stress oxydatif

Cultures cellulaires

Hémodynamique

Cellules endothéliales

Résumé

Le rôle de l'endothélium vasculaire dans les pathologies cardiovasculaires a gagné un intérêt croissant au cours des dernières années de recherche. Autrefois considéré comme un tissu inerte, celui-ci s'est peu à peu doté de propriétés d'interaction et de régulation qui sont à la base même de l'homéostasie du système cardiovasculaire. Les capacités d'interaction de l'endothélium avec son environnement direct ne facilitent pas son étude in vitro lorsque les cellules endothéliales sont cultivées hors de tout contexte physiologique. Le développement d'un modèle in vitro permettant de recréer et de moduler de façon indépendante les paramètres physico-chimiques du micro-environnement endothélial (forces de cisaillement pariétal, pression hydrostatique, pression partielle en oxygène) s'avère nécessaire afin d'évaluer finement les relations qui les lient. Le système des rollers permet d'évaluer de façon chronique et de façon indépendante des paramètres physiques (forces de cisaillement pariétal), chimiques (pression partielle en oxygène) et physiologiques (substances vasoactives). Les études récentes ayant mis l'accent sur le rôle primordial de la balance oxydo-réductrice de la cellule endothéliale dans la survenue ou non de phénomènes pathologiques, nous nous sommes intéressés aux réponses cellulaires pour différentes conditions micro-environnementales. Nos résultats montrent que l'augmentation des forces de cisaillement pariétal induisent un stress oxydant transitoire ainsi qu'une induction pérenne des systèmes de défense anti-oxydant alors qu'une diminution chronique semble provoquer un déséquilibre de la balance oxydo-réductrice cellulaire. L'hypoxie ne provoque pas la génération d'espèces radicalaires mais module le stress oxydant induit par le flux et augmente la biodisponibilité du monoxyde d'azote produit. L'étude de l'angiotensine II a montré un effet anti-oxydant prédominant de la voie des récepteurs AT2 sur les cellules endothéliales coronaires alors que les effets pro-inflammatoires et pro-oxydant du TNF alpha sont plus marquées sur les cellules ayant subi une diminution chronique de flux. Ainsi, il apparaît que le micro-environnement physico-chimique des cellules endothéliales module fortement leur physiologie et leurs réponses aux stress exogènes. Le rôle de l'hypoxie au niveau tissulaire ainsi que le type cellulaire impliqué dans l'oxyception restent à déterminer au moyen de systèmes de co-culture cardiomyocytes/cellules endothéliales. Par ailleurs, l'action prédominante de la voie AT2 au niveau de l'endothélium coronaire ouvre une voie de recherche supplémentaire pour le développement de stratégies thérapeutiques. En conclusion, le modèle développé permet d'évaluer finement et de façon chronique les interrelations qui existent entre l'endothélium et son environnement tant physico-chimique qu'humoral. Le concept de culture dynamique des cellules endothéliales apparaît alors primordial pour le développement d'études offrant une alternative à l'expérimentation animale.

Vascular endothelium role in cardiovascular diseases has gained more and more interest for a few years. Being considered just as a barrier, research gave it many properties which became the foundations of cardiovascular homeostasis. As endothelium may interact with its micro-environment, in vitro studies are not easy since endothelial cells are grown under non-physiological conditions. Development of an in vitro model which could simulate and modulate independently physical, chemical and physiological parameters of endothelium micro-environment appears to be necessary for the in vitro studies relevance. The "Roller" system allows study in a chronic and independent fashion those parameters. As recent studies pointed out the crucial role of oxidative status of endothelial cells into the outcome of physio-pathological events, we have been interested in endothelial oxidative status cellular responses when exposed to various micro-environmental conditions. Our results show that shear stress increase induces transient oxidative stress as well as long-term anti-oxidant enzymatic systems; chronic decrease in shear stress seems to induce an imbalance in endothelial cell oxidative state. Hypoxia did not induce reactive oxygen species production but modulates flow-induced oxidative stress and enhances NO bioavailability. Angiotensin II showed a dominant anti-oxidant effect mediated by AT2 receptors and pro-inflammatory and pro-oxidant TNF alpha effects were stronger when cells had undergone chronic flow decrease. Then, it appears that micro-environment strongly affects endothelial cell in culture and their response to exogenous stresses. Hypoxia role and mechanism at the tissue level remains to be assessed with co-culture systems (cardiomyocytes/endothelial cells). Furthermore, AT2 receptor presence at the coronary level could lead to novel research in terms of therapeutical strategies. To conclude, this model allows fine and chronic evaluation of endothelium interaction with its environment. Dynamic culture concept appears to be uncircumventable for development of studies which could offer an alternative to animal experimentation.