De la cellule au tissu - ESPCI
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Qu’est-ce qu’une cellule? La théorie cellulaire Evolution du vivant: des procaryotes aux eucaryotes unicellulaires, jusqu’aux métazoaires Conservation des séquences des macromolécules. Phylogénie moléculaire Peu de variabilité: Comparaison de séquences nucléotidiques (matrices d’identité) Variabilité élevée: comparaison de séquences protéiques (matrices de scores) Figure 1-22 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008) Les arbres phylogénétiques: l’évolution moléculaire La duplication successive des génomes : un facteur essentiel de l’évolution Le monde vivant se partage en trois groupes - 3 milliards d’années Carl Woese, 1977 phylogénie sur ARNr absence de peptidoglycane St lipidique des membranes: chaînes d’alcool isopréniques (ac. Gras) liés au glycérol par liaison ether (ester) Chromosome circulaire mais gènes en mosaïques et réplication et réparation de type eucaryote. Carl Woese et George Edward Fox (1977) : découverte des archaebactéries Comment était LUCA? (Last Universal Cellular Ancestor) L’évolution des cellules: des procaryotes aux eucaryotes Eubactéries Archaebactéries Eucaryotes Les inventions Noyau, système endomembranaire Cytosquelette Organelles énergétiques: mitochondries et chloroplastes Origine des eucaryotes: théorie endosymbiotique 11 La théorie endosymbiotique et l’arbre du vivant Source : "Biologie moléculaire de la cellule" Alberts et al. (1988) Prokaryotic Cells: The Envelope • Cell Envelopes – Glycocalyx • Layer of polysaccharides outside cell wall • May be slimy and easily removed, or • Well organized and resistant to removal (capsule) – Cell wall – Plasma membrane • Like in eukaryotes • Form internal pouches (mesosomes) 13 Prokaryotic Cells: Cytoplasm & Appendages • Cytoplasm – Semifluid solution • Bounded by plasma membrane • Contains inclusion bodies – Stored granules of various substances • Appendages – Flagella – Provide motility – Fimbriae – small, bristle-like fibers that sprout from the cell surface – Sex pili – rigid tubular structures used to pass DNA from cell to cell 14 La classification du monde cellulaire Eukaryotic Cells • Domain Eukarya – – – – Protists Fungi Plants Animals • Cells contain: – Membrane-bound nucleus – Specialized organelles – Plasma membrane 16 Eukaryotic Cells : Organelles • Compartmentalization: – Allows eukaryotic cells to be larger than prokaryotic cells – Isolates reactions from others • Two classes: – Endomembrane system: • Organelles that communicate with one another – via membrane channels – Via small vesicles – Energy related organelles • Mitochondria & chloroplasts • Basically independent & self-sufficient 17 Les eucaryotes Plus de 8 700 000 organismes en 1 738 575 espèces !). La diversité du monde vivant est essentiellement unicellulaire Ciliés, amibes Diatomées Diversité des protozoaires et métabolisme spécialisés: des ressources peu exploitées Radiolaires du zooplancton (coquille siliceuse) Les coccolithophoridés (Coquille en carbonate de calcium.. Etretat La multicellularisation est apparue indépendamment de nombreuses fois au cours de l’évolution Les myxomycètes: un paradigme pour la multicellularisation? Vers la multicellularisation: la vie en colonies (Volvox) Comparaison des caractéristiques des cellules Procaryotes et Eucaryotes Escherichia coli (volume # 2 10-12 cm3) Cellule hépatique de rat (volume # 2 109 cm3) Constituants (Masse molaire moyenne en Da) % du poids total nombre de molécules par cellule % du poids total nombre de molécules par cellule eau (18) ions inorganiques (40) 70 1-2 4 1010 2,5 108 75 - 85 1-2 4,2 1013 2,4 1011 petites molécules et précurseurs (100 300) lipides et précurseurs (750) 3-4 1-2 2,5 108 2,5 107 0,5 - 2 2-5 1,4 1010 2,5 1010 polysaccharides* 1-2 ------- 2 - 10 ------- protéines (4 104) 15 3,6 106 10 - 12 2,5 109 ARN (104 - 106) 6 4,6 105 0,8 - 1 1,5 108 ADN (2,5109) 1 1-2 *Une cellule de grain de blé contient environ 10 - 15 % d'eau et 70 - 75% de polysaccharides sous la forme de réserve d'amidon. Sources : J.-C. CALLEN - "Biologie Cellulaire" (1999), DUNOD - ISBN : 2 10 003197 X Caractéristiques Taille typique cellule Procaryote 1-10 µm cellule Eucaryote 10-100 µm Type de noyau nucléoïde (pas de véritable noyau) vrai noyau avec double membrane Division de la cellule division simple mitose (réplication de la cellule) méiose (menant à la formation de gamètes) Membrane nucléaire Organisation génétique non oui Nombre de chromosomes généralement 1 >1 Chromosome circulaire Histones Nucléole oui non non non oui oui Echange génétique transfert unidirectionnel fusion de gamètes ARN et synthèse des protéines couplé au cytoplasme synthèse d'ARN dans le noyau synthèse de protéines dans le cytoplasme Premier acide aminé initiant la synthèse d'une chaîne polypeptidique méthionine ou N-formylméthionine méthionine Structures cellulaires et organites J.P. Euzéby "Cellule" "Dictionnaire de Source Encyclopedie Bactériologie -fr.snyke.com Vétérinaire" Réticulum endoplasmique non oui Appareil de Golgi Lysosomes Mitochondries non non non oui oui oui Chloroplastes non oui chez les plantes Microtubules non oui Paroi cellulaire avec peptidoglycane oui non Présence de stérols dans les membranes non oui Endospores oui, parfois non Taille des ribosomes 70 S 80 S, sauf mitochondries et chloroplastes Localisation des ribosomes dispersés dans le cytoplasme dispersés dans le cytoplasme ou liés au réticulum endoplasmique Constantes de sédimentation des ARN ribosomaux 16S, 23S, 5S 18S, 28S, 5,8S, 5S Phagocytose Pinocytose Flux cytoplasmique Attributs fonctionnels non non non oui, parfois oui, parfois oui Mouvement de la cellule flagelles faites de flagelline flagelle et cils faits de tubuline Site du transport des électrons membrane cellulaire membrane des organites Evolution des métazoaires La taille des génomes et la complexité des organismes Figure 1-37 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008) Taille du génome (Mpb) 0,013 0,05 0,165 1,2 1 260 0,816 689 1,3 1,8 1 354 1 657 Staphylococcus aureus 2,8 2 619 Organisme Virus Bactéries Archaea Virus de la grippe Bactériophage λ Bactériophage T4 Mimivirus Mycoplasma pneumoniae Pelagibacter ubique Haemophilus Bacillus subtilis Escherichia coli Nanoarchaeum equitans Pyrococcus abyssi 4,2 4,64 4 106 4 243 0,49 536 1,77 1 898 Sulfolobus solfataricus 3 Encephalitozoon cuniculi Saccharomyces cerevisiae (levure) Plasmodium falciparum Caenorhabditis elegans (nématode) Eucaryotes Nombre de gènes protéiques estimés 2 977 2,9 1 996 12 5 863 21,8 5 314 100 22 628 Drosophila 118 melanogaster (insecte) 16 548 Arabidopsis thaliana (plante) 27 3799 119 Populus 485 trichocarpa (peuplier) Zea mais (maïs) 5 000 Mus musculus (souris) 3 400 Homo sapiens (homme) Polychaos dubium (amibe) 3 400 675 000 45 500 54 60610 30 000 26 517 Organisation du vivant: de la cellule à l’organisme Organisation des cellules en tissu Relations cellules/cellules cellules/matrice extracellulaire Organisme: Programme de développement Harmonisation de la vie et mort des cellules Signalisation multi-échelle Réponse coordonnée à l’environnement Fonction du tissu Harmonisation des fonctions cellulaires et de leur organogénèse Homeostasie: Fonctionnement de l’organe au sein de l’organisme. Signalisation à grande échelle Les constituants de la cellule ATOMS MOLECULES ORGANELLES 30 De la cellule aux tissus TISSUES – Similar cells working together CELLS – life starts here 31 De l’organe à l’organisme ORGANS Different tissues working together ORGAN SYSTEMS ORGANISM Different organs working together 32 La cellule: unité du vivant Contain 3 basic cell structures: • Nucleus • Cell Membrane • Cytoplasm with organelles 33 Structure de la cellule eucaryote La membrane plasmique • Composed of double layer of phospholipids and proteins • Surrounds outside of ALL cells • Controls what enters or leaves the cell • Living layer Outside of cell Proteins Carbohydrate chains Cell membrane Inside of cell (cytoplasm) Protein channel Lipid bilayer 35 Le cytoplasme cytoplasm • Jelly-like substance enclosed by cell membrane • Provides a medium for chemical reactions to take place 36 Le noyau • Controls the normal activities of the cell • Contains the DNA in chromosomes • Bounded by a nuclear envelope (membrane) with pores • Usually the largest organelle 37 Nucleus • Each cell has fixed number of chromosomes that carry genes • Genes control cell characteristics 38 Le cytosquelette • Helps cell maintain cell shape • Also help move organelles around • Made of proteins • Microfilaments are threadlike & made of ACTIN • Microtubules are tubelike & made of TUBULIN 39 Les mitochondries • “Powerhouse” of the cell • Generate cellular energy (ATP) • More active cells like muscle cells have MORE mitochondria • Both plants & animal cells have mitochondria • Site of CELLULAR RESPIRATION (burning glucose) 40 • Mitochondria Come from cytoplasm in the EGG cell during fertilization Therefore … • You inherit your mitochondria from your mother! 41 Le reticulum endoplasmique • Network of hollow membrane tubules • Connects to nuclear envelope & cell membrane • Functions in Synthesis of cell products & Transport Two kinds of ER ---ROUGH & SMOOTH 42 Le reticulum endoplasmique rugueux • Has ribosomes on its surface • Makes membrane proteins and proteins for export out of cell 43 Reticulum endoplasmique lisse • Makes membrane lipids (steroids) • Regulates calcium (muscle cells) • Destroys toxic substances (Liver) 44 Les ribosomes • Made of PROTEINS and rRNA • “Protein factories” for cell • Join amino acids to make proteins • Process called protein synthesis 45 Can be attached to Rough ER OR Be free (unattached) in the cytoplasm 46 L’appareil de Golgi • Stacks of flattened sacs • Have a shipping side (cis face) & a receiving side (trans face) • Receive proteins made by ER • Transport vesicles with modified proteins pinch off the ends CIS TRANS Transport vesicle 47 Look like a stack of pancakes Modify, sort, & package molecules from ER for storage OR transport out of cell 48 Lysosomes • Contain digestive enzymes • Break down food, bacteria, and worn out cell parts for cells • Programmed for cell death (APOPTOSIS) • Lyse & release enzymes to break down & recycle cell parts) 49 Cils et flagelles • Made of protein tubes called microtubules • Microtubules arranged (9 + 2 arrangement) • Function in moving cells, in moving fluids, or in small particles across the cell surface 50 Le mouvement coordonné des cils élimine les particules des poumons 51 Les différents tissus de l’organisme sont composés de cellules spécialisées différentes La spécialisation des cellules • Cells in a multi-cellular organism become specialized by turning different genes on and off • This is known as DIFFERENTIATION 53 La différenciation cellulaire La différenciation cellulaire résulte de modifications épigénétiques qui modifient la structure de la chromatine DNA methylation and histone modifications. DNA methylation and histone modifications are two of the best-defined epigenetic mechanisms of gene expression, Chromosomal DNA is packaged around histone cores to form nucleosomes. Nucleosome spacing (panel a, top) in active chromatin is an open structure that is accessible to nuclear factors and is maintained in part by posttranslational modification of histone tails, including lysine acetylation and specific lysine methylation. Cytosine–guanine (CpG) dinucleotides are distributed unequally throughout chromosomal DNA and may be concentrated in regions called CpG islands that typically overlap with gene promoters. Methylation of cytosine in CpG dinucleotides is associated with inactive, condensed states of the chromosome (panel a, bottom). This inactive state is also maintained by specific histone lysine modifications. Histone modifications occur posttranslationally, and different combination changes (phosphorylation, ubiquitination, acetylation, and methylation) may regulate chromatin structure and transcriptional status (Adapted from Handy et al. (2011) and Zaidi et al. (2011). En moyenne, nos cellules vivent 7 à 10 ans, mais leur « longévité » varie beaucoup selon leur rôle dans l’organisme Chaque type de tissu se caractérise par une durée de renouvellement qui lui est propre, les cellules épidermiques, qui forment la peau, un organe facilement endommagé, sont recyclées environ toutes les deux semaines. Les globules rouges, en mouvement constant tout au long de leurs déplacements dans la circulation sanguine, ne durent que 4 mois. Quant au foie, chargé de détoxiquer l'organisme humain, la durée de vie de ses cellules est assez courte - une cellule du foie d'un humain adulte se renouvelle tous les 300 à 500 jours. Les cellules qui revêtent la paroi de l'intestin, qui, d'après d'autres méthodes, ne durent qu'environ cinq jours, comptent parmi celles dont la durée de vie est la plus courte de tout l'organisme. À l'exception de celles-ci, l'âge moyen des cellules de l'intestin est de 15,9 ans. Les cellules du squelette vivent un peu plus de dix ans. Celles des muscles des côtes, 15,1 ans en moyenne. Lors de l'étude des cellules du cerveau,tous les échantillons prélevés sur l'aire visuelle, la zone responsable du traitement des messages visuels, avaient le même âge que les sujets eux-mêmes, ce qui appuie l'idée selon laquelle ces cellules ne se régénèrent pas. "La raison pour laquelle ces cellules vivent aussi longtemps est certainement qu'elles doivent être reliées d'une manière très stable", avance le docteur Frisén. Les autres cellules du cerveau vivent moins longtemps. Le docteur Frisén a découvert que le coeur, dans son intégralité, génère effectivement de nouvelles cellules, mais il n'a pas encore mesuré le taux de renouvellement des cellules des muscles du coeur. Et toutes les cellules du corps humain pourraient être fort jeunes, atteignant seulement 7 à 10 ans, selon lui. Datation des cellules par C14 Institut Karolinska de Stockholm, Jonas Frisén Vie et mort des cellules • Quand et comment se reproduisent-elles? • Vieillissement et mort programmée des cellules Cycle cellulaire Mort cellulaire L’apoptose est une mort cellulaire régulée Équilibre d’une cellule entre la vie et la mort. • Des processus tels que la prolifération cellulaire augmentent la quantité de facteurs de survie comme la protéine Bcl-2, ce qui favorise la survie cellulaire. Des événements néfastes pour la cellule tels que des dommages sur l’ADN augmentent la quantité de facteurs de mort ce qui fait pencher la balance vers la mort cellulaire. © Grégory Ségala La sénescence cellulaire Division et mort cellulaires: renouvellement de l’organisme 10 000 milliards de cellules 10O milliards de cellules perdues 100100 et remplacées chaque jour 250 types cellulaires différents En une année, chacun d’entre nous produit et élimine une masse équivalente au poids de son corps. Sauf certaines cellules du cerveau et du cœur, nos cellules sont plus jeunes que nous! Concept de cellules souches Qu’est-ce qu’une cellule souche? Une cellule souche a la capacité unique de: s’auto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée produire différentes cellules spécialisées (différenciées) Qu’entend-on par auto-renouvellement? Divisions asymétriques La division d’une cellule souche est asymétrique - les cellules filles ne sont pas identiques, et seule une des deux est identique à la cellule mère Les cellules souches adultes Cellules souches hématopoïétiques (HSCs) NK cell T cell B cell dendritic cell megakaryocyte HSC platelets erythrocytes macrophage neutrophil bone marrow eosinophil basophil committed progenitors specialized cells Cellules souches neurales (NSCs) Neurons Interneurons Oligodendrocytes NSC Type 2 Astrocytes Type 1 Astrocytes brain committed progenitors specialized cells Cellules souches intestinales(GSCs) Paneth cells Goblet cells GSC Endocrine cells Columnar cells Small intestine committed progenitors specialized cells Cellules souches mésenchymateuses(MSCs) Bone (osteoblasts) Cartilage (chondrocytes) MSC bone marrow Fat (adipocytes) committed progenitors specialized cells Notion de « niches »: exemples des cryptes intestinales L’œuf: une cellule souche à fort pouvoir de différenciation Où trouve-ton les cellules souches? embryonic stem cells blastocyst - a very early embryo tissue stem cells fetus, baby and throughout life Les cellules souches embryonnaires Potentialités de différenciation des cellules souches Sources de cellules souches embryonnaires • • • • Embryons excédentaires provenant de cliniques de fécondation in vitro (FIV) Embryons créés à des fins de recherche par FIV Lignées de cellules souches embryonnaires existantes Transfert de noyau d’une cellule somatique Il est possible de produire des cellules souches embryonnaires à partir d’une cellule somatique adulte par transfert de noyau; le noyau d’une cellule adulte est ainsi fusionné avec un ovule dont on a retiré le noyau. Transfert de noyau d’une cellule somatique Les clonages thérapeutiques et reproductifs commencent tous deux par un transfert de noyau d’une cellule somatique, mais le clonage reproductif permet au blastocyste de se transformer en un fœtus. • Le clonage thérapeutique a pour but de récolter des cellules souches embryonnaires en vue de mener des recherches sur d’éventuels traitements l’embryon sert à fabriquer des cellules souches embryonnaires. • Le clonage reproductif a pour but de créer un nouvel organisme, identique à la cellule adulte donneuse le blastocyste est implanté dans l’utérus. Les premières expériences de transplantation nucléaires Tadpole (frog larva) Frog egg cell Nucleus UV Intestinal cell Nucleus Transplantation of nucleus Eight-cell embryo Nucleus destroyed 1962 Tadpole Le clonage de têtards a montré que les noyaux de cellules animales différenciées gardaient tout leur potentiel génétique. Gurdon, 1962 La première expérience de transplantation nucléaire chez un mammifère Le 1er mammifère cloné s’appelle Dolly et a été produit en 1997 Débat éthique • Les cellules souches embryonnaires pourraient sauver de nombreuses vies. Il faut effectuer des recherches sur les cellules souches embryonnaires. Débat éthique (suite) • Récolter des cellules souches embryonnaires à partir d’un embryon précoce le détruit. Législation relative aux cellules souches embryonnaires Pays Clonage thérapeutique Création d’embryons à des f in s d e recherche R. - U. É.- U. Canada Allemagne France 3 3 3 ? 7 7 7 - -7 -7 -7 Utilisation d’embryons excédentaires provenant de cliniques de FIV 3 3 3 7 7 - Utilisation de lignées de cellules SE existantes 3 3 3 3 ? Différences entre cellules souches adultes et cellules souches embryonnaires Embryonnaires Adultes Différenciation limitée : multipotent + plasticité Rares dans les tissus matures Difficiles à cultiver en culture Plus “éthiques” que les cellules souches embryonnaires Différenciation illimitée: pluripotent Présentes en grand nombre Faciles à cultiver en culture Induced pluripotent stem cells (iPS cells) ‘genetic reprogramming’ = add certain genes to the cell cell from the body induced pluripotent stem (iPS) cell behaves like an embryonic stem cell differentiation culture iPS cells in the lab Advantage: no need for embryos! all possible types of specialized cells Induced pluripotent stem cells (iPS cells) genetic reprogramming pluripotent stem cell (iPS) cell from the body (skin) differentiation Nuclear reprogramming to a pluripotent state by three approaches Shinya Yamanaka & Helen M. Blau NATURE|Vol 465|10 June 2010|doi:10.1038/nature09229 Les iPS: une révolution?! Potentiel médical des cellules souches • Les cellules souches pourraient un jour remplacer les cellules endommagées dans le corps. Médecine régénérative Specific Tissues can be grown from Stem cells under special conditions Différencier les cellules embryonnaires à façon: de nouveaux défis skin neurons embryonic stem cells ? blood liver La différenciation cellulaire est conditionnée par son environnement au sein du tissu ou au cours du développement Formation des tissus au cours de l’embryogénèse Les tissus se distinguent par des relations cellule/cellule et cellule/matrice extra-cellulaire variées Epithelium Cartilage Muscle cardiaque La médecine régénérative doit prendre en compte le contexte dans lequel la cellule se différencie La différenciation et son maintien répond à des stimuli biochimiques et mécaniques Structure des tissus Figure 19-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) La matrice extra-cellulaire fournit aux cellules une niche chimiquement et mécaniquement contrôlée La mécanotransduction: un effecteur prépondérant dans la différenciation et l’homéostasie cellulaires Les interactions cellule-cellule ou cellule- matrice extra-cellulaire Figure 19-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Le cytosquelette: essentiel à la morphologie et la mécanotransduction Constituants du cytosquelette Persistence length 13,5 µm 0,5 µm 5000 µm •All 3 are polymers that control cell’s shape and mechanics, are organized into networks that resist deformation and can reorganize in response to external forces. •Pol/depol of MTs and actin generate directed forces •Architecture of networks based on: nucleation factors, capping proteins, depolymerizing and severing factors, and cross-linkers Le concept de tenségrité R. Buckminster Fuller, Although this prestress endows tensegrities with shape stability, they are also extremely responsive to outside perturbation. The individual elements that comprise the structure immediately reorient when the structure is deformed or force is applied to one element, and they do so reversibly and without breaking. Moreover, because the structural members are connected by elements that transmit tensional forces throughout the whole tensegrity structure, application of a local force can result in an integrated structural response. Ingber: cellule et tenségrité Le concept de tenségrité cellulaire « Dompter » les cellules en fixant la surface d’adhésion Cell shape and mean positioning of centrosomes are identical on both types of adhesive micro-patterns but centrosome distribution is much broader on fully adhesive micro-pattern on the right. (image: courtesy of Manuel Théry, CEA, Grenoble) L’adhésion contrôle la forme et l’axe de division des cellules Influence of cell shape factor on orientation of cell division When cells are plated on culture dishes, great variability can be observed in cell morphology and polarization and spindle orientation is randomized. Axis of cell division were measured on the following fully adhesive micropatterns (Rectangle, Disk, Triangle) and show that cell division axis tends to occur in the longest axis of the cell, supporting the theory that cell shape and elongation plays a role in orienting spindle orientation. Théry M, Racine V, Pépin A, et al. The extracellular matrix guides the orientation of the cell division axis. Nat. Cell Biol.2005;7(10):947–953. L’adhésion contrôle organisation et différenciation cellulaires Thery, JCS, 2010 Micropatterns et ingénierie cellulaire Brendon M. Baker and Christopher S. Chen. JCS 2012 La MEC: propriétés physicochimiques et adhésion cellulaire Figure 19-43 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Effets de l’adhésion sur la contractilité et la différenciation cellulaires Ingéniérie tissulaire et thérapie cellulaire Un défi majeur: maîtriser les interactions cellules/matrice Les IPS: un acteur majeur dans les programmes de thérapie cellulaire Buts de l’ingénierie tissulaire • Créer des produits qui améliorent la fonction des tissus ou les guérissent. • Remplacer les tissus malades ou endommagés Parce que ...... • Tissus et organes de donateurs sont rares • Il est nécessaire de minimiser la réponse du système immunitaire en utilisant nos propres cellules Les thérapies cellulaires Destinées à certaines maladies Utilise principalement des cellules et pas de support extracellulaire Exemples: • Le diabète de type I transplantation de nouvelles cellules de pancréas • Les cellules souches adultes pour les maladies du coeur • Des greffes de neurones pour la maladie de Parkinson • Greffe de moelle osseuse pour divers cancers du sang • La dystrophie musculaire et la poliomyélite L’ingéniérie tissulaire Utilisation d’échafaudages bien conçus pour une croissance cellulaire optimisée, permettant la création de tissus: • peau • os • cartilage • Intestin Ou d’organes: foie cœur poumon Rein Cerveau!!! Mais fonctions métaboliques complexes Nécessitent plusieurs types de cellules et des échafaudages complexes pour leurs interactions The information provided to cells by the extracellular matrix (ecM). a, ECM fibres provide cells with topographical features that trigger morphogenesis. Adhesion proteins such as fibronectin and laminin located on the fibres interact with the cells through their transmembrane integrin receptors to initiate intracellular signalling cascades, which affect most aspects of cell behaviour. Polysaccharides such as hyaluronic acid and heparan sulphate act as a compression buffer against the stress, or serve as a growth factor depot. b–d, Illustrations of the heart, liver and bone at the level of organ (left) and tissue and cell/matrix interaction (centre), followed by scanning electron micrographs of engineered scaffolds (right). The ECMs of various tissues have different composition and spatial organization of molecules to maintain specific tissue morphologies. For example (b), the ECM of muscle tissues, such as the heart, forces the heart cells (cardiomyocytes) to couple mechanically to each other and to form elongated and aligned cell bundles that create an anisotropic syncytium. Nanogrooved surfaces (SEM image) are suitable matrices for cardiac tissue engineering because they force cardiomyocytes to align. c, Cells composing epithelial tissues are polarized and contact three types of surfaces for efficient mass transfer: the ECM, other cells and a lumen. Nanofibres modified with surface molecules can promote cell adhesion and tissue polarity (SEM images). d, Bone is a nanocomposite material consisting primarily of a collagen-rich organic matrix and inorganic hydroxyapatite nanocrystallites, which serve as a chelating agent for mineralization of osteoblasts. The scaffold structure (SEM image), stiffness and hydroxyapatite nanopatterning on the surface (inset) can enhance osteoblast spreading and bone tissue formation. SEM images reproduced with permission from: b, ref. 56, © 2010 NAS; c, ref. 59, © 2009 Elsevier; d, ref. 65, © 2010 Elsevier Les supports • • • • Différentes textures et matériaux Encourager les cellules à croître Permettre aux nutriments de diffuser Non nuisible au patient Utilisation de cellules souches mésenchymateuses • • • • Injectées in situ lésions cardiaques dystrophie musculaire La texture, les propriétés mécaniques et la composition biochimique de l’environnement influencent le devenir cellules injectées Dystrophie musculaire • Une maladie génétique qui touche 1 personne sur 3500 • Les patients ont du mal à marcher dans l’enfance et finissent par mourrir en raison de muscles cardiaques et pulmonaires affaiblis • Des chiens avec MD ayant reçu des injections de cellules saines ont été capables de remarcher et même sauter • Les meilleurs résultats ont été obtenus à partir de cellules souches de chiens en bonne santé Greffe cellulaire pour soigner le diabète In vivo Islet of Langerhans in pancreas Peau artificielle pour brûlures et ulcères Régénération de la vessie • Support et différents types de cellules Remplacement du cartilage • • • • Mimer l’environnement du cartilage Différencier des cellules du cartilage Sur échaffaudage de collagène Ne nécessite pas de vaste approvisionnement en sang Des chercheurs américains de la Columbia University à New York ont mis au point une technique très innovante pour réparer des articulations endommagées. Ces résultats, détaillés dans la revue médicale britannique The Lancet1, laissent entrevoir tous le potentiel des cellules souches en matière d’ingénierie tissulaire. Les chirurgiens ont actuellement recours à des prothèses faites avec des matériaux en titanium pour remplacer une articulation. Ces prothèses fonctionnent très bien mais ont une durée de vie limitée, généralement à 10-15 ans. Les chercheurs américains démontrent la faisabilité d’une technique tout à fait innovante. Ils ont en effet réussi chez l’animal, à partir d’un échafaudage tri-dimensionnel qui a la forme de l’articulation, à reconstituer le cartilage en se servant des cellules souches de l’animal. Les expériences ont été réalisées sur des lapins. L’échafaudage (photo 1) a été infusé dans une solution comportant des facteurs de croissance. La structure a été ensuite implanté sur l’animal suivant la même procédure que celle adoptée pour implanter une prothèse en titanium. Les cellules souches de l’animal font ensuite le reste. Un mois après l’opération, les animaux ont commencé à se servir de l’articulation. Après deux mois, ces animaux pouvaient se mouvoir presque aussi bien que les autres animaux. C’est la première fois qu’une étude montre qu’une articulation dans son intégralité peut être remplacé. Dans l’étude, les chercheurs ont créé une image de l’articulation pour créer ensuite une image tri-dimensionnelle qu’ils ont utilisé pour reproduire très précisément une articulation tridimensionnelle. La structure a été ensuite dotée d’une multitude de microcanaux connectés entre eux qui a servi d’échafaudage à la croissance cartilagineuse et osseuse. Et grâce aux facteurs de croissance ajoutés, les cellules souches du lapin ont naturellement migré vers l’échafaudage pour régénérer le cartilage et l’os sous-jacent. Cette étude montre une nouvelle tendance dans le domaine de l’ingénierie tissulaire. Les chercheurs commencent à envisager l’idée qu’en construisant le microenvironnement à l’intérieur même de l’organisme, les cellules de l’organisme vont s’approprier la structure et fabriquer les tissues. Cette approche comporte en outre de nombreux avantages, il est par exemple impossible de recréer dans une boite de Petri le réseau de réactions chimiques mis en oeuvre par l’organisme pour générer les divers tissus. Il est également plus simple d’obtenir l’approbation des autorités régulatrices pour implanter dans l’organisme un échafaudage qu’un tissu dans son intégralité. Notes et références Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study. Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, Eduardo K Moioli, Hai Yao, Jeremy J Mao. The Lancet In-vivo tissue engineering of biological joint replacements. In-vivo tissue engineering of biological joint replacements. Patrick H Warnke. The Lancet. Réparation osseuse • Peter Dunn, Press and Media Relations Manager, University of Warwick, Tel: 024 76 523708 or 07767 655860 email: [email protected] Vaisseaux artificiels • Usually for by-pass operation http://popularmechanics.com/popmec h/sci/tech/9805TUMDOM.html Interfaces neurones/ machines Champs d’applications: Comment groupes de neurones interagissent lorsqu'ils sont stimulés? Conduire à de meilleures prothèses neuronales Compréhension de pathologies neuronales Intelligence artificielle Cerveau artificiel? Bioengineered functional brain-like cortical tissue Min D. Tang-Schomera, , …….., David L. Kaplana,1 A modular 3D brain-like cortical tissue is constructed with silk protein-based scaffold and ECM composite and primary cortical neurons. This tissue responds in vitro with biochemical and electrophysiological outcomes, mimicking observations of brain homeostasis and mechanical injury responses.
