The imperative for controlled mechanical stresses in unraveling cellular mechanisms of mechanotransduction

BACKGROUND: In vitro mechanotransduction studies are designed to elucidate cell behavior in response to a well-defined mechanical signal that is imparted to cultured cells, e.g. through fluid flow. Typically, flow rates are calculated based on a parallel plate flow assumption, to achieve a targeted cellular shear stress. This study evaluates the performance of specific flow/perfusion chambers in imparting the targeted stress at the cellular level. METHODS: To evaluate how well actual flow chambers meet their target stresses (set for 1 and 10 dyn/cm(2 )for this study) at a cellular level, computational models were developed to calculate flow velocity components and imparted shear stresses for a given pressure gradient. Computational predictions were validated with micro-particle image velocimetry (μPIV) experiments. RESULTS: Based on these computational and experimental studies, as few as 66% of cells seeded along the midplane of commonly implemented flow/perfusion chambers are subjected to stresses within ±10% of the target stress. In addition, flow velocities and shear stresses imparted through fluid drag vary as a function of location within each chamber. Hence, not only a limited number of cells are exposed to target stress levels within each chamber, but also neighboring cells may experience different flow regimes. Finally, flow regimes are highly dependent on flow chamber geometry, resulting in significant variation in magnitudes and spatial distributions of stress between chambers. CONCLUSION: The results of this study challenge the basic premise of in vitro mechanotransduction studies, i.e. that a controlled flow regime is applied to impart a defined mechanical stimulus to cells. These results also underscore the fact that data from studies in which different chambers are utilized can not be compared, even if the target stress regimes are comparable

Rheology of living materials

In this chapter, the properties of biological materials are described both from a microscopic and a macroscopic point of view. Different techniques for measuring cell and tissue properties are described. Models are presented in the framework of continuum theories of viscoelasticity. Such models are used for characterizing experimental data. Finally, applications of such modeling are discussed in a few situations of interest

Le sang et les cellules circulantes: de la rhéologie aux enjeux cliniques

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Le sang et les cellules circulantes : de la rhéologie aux enjeux cliniques

La circulation du sang dans l’organisme dépend de nombreux facteurs, à la fois biochimiques et mécaniques : onde de pression et de vitesse en sortie du cœur, visco-élasticité des parois vasculaires, ramifications successives des vaisseaux, nature du fluide en lui-même (suspension concentrée de particules déformables), propriétés mécaniques des cellules circulantes, interactions de ces cellules entre elles ou avec les cellules endothéliales qui tapissent la paroi interne des vaisseaux… D’un point de vue rhéologique, le sang est donc un fluide essentiellement non newtonien, dont la viscosité dépend des conditions d’écoulement locales. La compréhension de ces différentes interactions (fluide/vaisseau, fluide/cellules, cellules/cellules) est un enjeu important dans des contextes cliniques aussi variés que les maladies cardiovasculaires (hypertension, athérosclérose, …) ou la lutte contre le cancer

Etude des intéractions entre les cellules tumorales et l'endothélium vasculaire ( rôles des contraintes de cisaillement )

Le processus métastatique se déroule en une séquence d'évènements inter-reliée conduisant à la dissémination de la tumeur dans l'organisme, via la circulation lymphatique ou sanguine. Ce phénomène fait intervenir des interactions entre les cellules tumorales (CT) et l'endothélium vasculaire, essentielles à sa réalisation. En conditions physiologiques, ces interactions ont lieu en présence de l'écoulement sanguin. Cependant, l'influence des forces hémodynamiques sur la dissémination tumorale reste peu caractérisée. L'objectif de cette thèse est d'analyser, d'un point de vue morphologique, biochimique, et moléculaire, l'effet des contraintes de cisaillement sur les interactions entre les CT et les cellules endothéliales (CE), dans un modèle d'étude in vitro. Nos résultats indiquent que l'écoulement module la morphologie et l'étalement des CT, et régule l'expression protéique ainsi que l'activité intracellulaire des CE. De plus, la coculture des CT avec des CE, sous un écoulement modéré ou nul, stimule les CE via l'activation de la voie de signalisation NFKB. Cela induit la surexpression des molécules d'adhérence cellulaire endothéliales, facilitant ainsi l'adhésion et la migration des CT. En revanche, l'application de contraintes élevées, inhibent l'activation des CE induite par la coculture ou par le TNFa, ce qui met en exergue les propriétés anti-inflammatoires des fortes contraintes de cisaillement. Cette thèse démontre pour la première fois, l'existence d'un seuil de contrainte de cisaillement. De part et d'autre de ce seuil, l'écoulement exercerait un effet différentiel sur la morphologie cellulaire, l'expression des protéines membranaires et l'activité intracellulaire. Nos résultats suggèrent également, que la formation des métastases se déroulerait préférentiellement dans les régions de l'organisme où les contraintes de cisaillement sont faibles ou modérées (veines, capillaires, canaux lymphatiques, bifurcations artérielles).Cancer metastasis is a multistep process which involves interactions between Tumor Cells (TC) and Endothelial Cells (EC), and leads to tumoral dissemination through Iymphatic or blood circulation. However, the mechanism by which fluid shear forces modulate tumoral dissemination remains still uncIear. The goal of this thesis was to analyze morphological, biochemical and molecular effects of shear stress on TC-EC interactions, using an original in vitro assay. Our results indicated that shear stress level modulated TC morphology and spreading, and regulated protein expression and intracellular activity in ECs. Furthermore, the coculture of TCs with ECs under moderate flow or static conditions, up-regulated endothelial cell adhesion molecules via NFKB activation. This, in tum, enhanced TC adhesion and transmigration through ECs. ln contrast, high shear stress totally abolished the stimulation of ECs induced by coculture or by pro-inflammatory agents, demonstrating the anti-inflammatory properties ofhigh shear stress. This work suggests for the first time, the existence of a shear stress threshold with differential effects on cell morphology, protein expression and the activation of signaling pathways. These findings partially explain why low shear regions (veins, capillaries, bifurcations ofarteries, lymphatic vessels) are prone to metastasis, unlike the relatively anti-inflammatory high shear regions.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

A new flow chamber for the study of shear stress and transmural pressure upon cells adhering to a porous biomaterial

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A new flow chamber for the study of shear stress and transmural pressure upon cells adhering to a porous biomaterial

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Calcium phosphate bioceramics for bone tissue regeneration

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Élaboration et fonctionnalisation de biocéramiques phosphocalciques

La préparation de céramiques phosphocalciques dopées au silicium (Si) a été étudiée sur la base de la formule hypothétique Ca3 x(PO4)2 2x(SiO4)x du phosphate tricalcique partiellement substitué par des groupements silicates. Des poudres d apatite déficitaire en calcium ont été synthétisées en présence de Si par précipitation en milieu aqueux à pH 7 et 30C. L augmentation de la teneur en Si accroît la vitesse de réaction de précipitation de l apatite. Le temps de maturation requis pour obtenir, après calcination des précipités, une poudre constituée d une phase cristalline unique de phosphate tricalcique beta (b-TCP) diminue avec cette teneur. Des matériaux denses ont été obtenus après frittage naturel à 1100C pendant 2 h. Le silicium n est que partiellement incorporé dans la structure du b-TCP, l excédent se retrouve dans des grains de silice amorphe qui ralentissent le processus de densification. In vitro, des tests d immersion en solutions salines ont révélé que la présence de Si permettait d augmenter la bioactivité des céramiques. La biocompatibilité des matériaux a été démontrée par la prolifération des cellules MC3T3-E1 et la différenciation des cellules souches ST-2 a lieu. Le processus de minéralisation osseuse, étudié à l aide des cellules SaOs-2, est observé sur tous les matériaux et est amélioré en présence de silicium. Dans l optique d une fonctionnalisation de surface par des biomolécules, un protocole préliminaire de greffage d une quantité contrôlée d organo-alkoxysilane sur la surface d hydroxyapatite silicatée a été mis en place. Différents facteurs influents dont le pH du milieu réactionnel et la charge de surface des poudres ont ainsi été révélés.The preparation of silicon doped calcium phosphate ceramics was studied on the basis of the hypothetical formula Ca3 x(PO4)2 2x(SiO4)x of tricalcium phosphate partially substituted by silicate groups. Calcium deficient apatite powders have been synthesised in the presence of silicon by a wet precipitation method at pH 7 and 30C. The increase of silicon content increased the reaction rate of apatite precipitation. The maturation time required to obtain, after calcination of the precipitate, a powder consisting of a beta tricalcium phosphate (b-TCP) as unique crystalline phase decreased with this content. Dense materials were obtained after natural sintering at 1100C for 2 h. Silicon was only partially incorporated in the crystal structure of b TCP, the remaining silicon was in the form of grains of amorphous silica that slow down the densification process. In vitro, immersion tests in saline solutions showed that the bioactivity of the ceramics was improved by silicon. The materials were biocompatible through the MC3T3-E1 culture and the differentiation of ST-2 stem cells occurred well. The bone mineralisation process, evaluated through SaOs-2 cells culture, was observed on all materials and increased in the presence of silicon. For further surface functionalisation with biomolecules, a preliminary study of grafting a controlled amount of organo-alkoxysilane on silicated hydroxyapatite surface was proposed. Different influencing factors including the pH of the system and the charge of the powders surface were highlighted.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceCote d'IvoireFRC