Influence de la nanostructuration énergétique des substrats dans l'adhésion et la différenciation des cellules neuronales modèles PC12

Influence of substratum energetic nanostructuration on neuronal-model pc12-cell adhesion and differentiation

• Auteur / Autrice : Guillaume Lamour
• Direction : Ahmed Hamraoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tension superficielle

Cellules PC12

Facteur de croissance nerveuse

Nanoparticules

effets des médicaments et substances chimiques

Différenciation cellulaire

Adhérence cellulaire

Résumé

Les paramètres de surface contrôlent les fonctions des cellules, en coopération avec leurs codes génétiques. Des études récentes soulignent l'impact combiné des signaux chimiques, topographiques et mécaniques des substrats d'adhésion sur les processus de différenciation. Cette étude se focalise sur le paramètre énergétique, et plus spécialement, sur l'influence exercée par la distribution spatiale des énergies de surface sur la différenciation des cellules neuronales. Le modèle étudié est constitué par les cellules de la lignée PC 12, capables de se différencier en neurones suite au traitement par le facteur de croissance nerveux (NGF). Les cellules sont cultivées sur des surfaces de verre modifiées par auto-assemblage de monocouches d'alkylsiloxanes ou de biopolymères. La modification de la nature chimique et du degré d'organisation des monocouches module la distribution des composantes dispersives et polaires de l'énergie de surface, à une échelle inférieure au micron. Sur des substrats très homogènes (dotés de terminaisons CH3, NH2, ou OH), l'adhésion des cellules PC 12 est modulée par le degré d'affinité chimique, et peu de cellules initient des neurites. Inversement, sur des substrats localement très hétérogènes, les cellules adhèrent quel que soit le couple chimique produisant les hétérogénéités (NH2/OH ou CH3/OH), et elles génèrent un nombre important de neurites en moins de 48 h, sans traitement au NGF. Ce travail démontre que les hétérogénéités chimiques de surface exercent une influence critique sur les processus de régénérescence des cellules nerveuses, en induisant des gradients dans les énergies d'adhésion aux échelles nanométriques.

Significant advances have been made in understanding surface adhesion parameters. Several studies recently demonstrated the combined impact of chemical, spatial and mechanical cues of cell culture substrates in controlling cell fonctions, together with the genetic program of the cell. This study focus on the substratum physical cue that is surface energy, and in particular, on the influence of surface-energy spatial distribution on neuronal cell differentiation. The cell model under consideration is constituted by clonal-line PC 12 pheochromocytoma-cells. PC 12 cells have the ability to undergo terminal neuronal differentiation, typically when treated with nerve growth factor (NGF). In this study, PC 12 cells were seeded on glass surfaces modified by the self-assembly of alkylsiloxanes or of biopolymers such as poly-1-lysine. By changing the structure, ordering and chemical nature of the self-assembled monolayers, the spatial distribution of surface-energy polar and dispersive components is altered. When seeded on well-ordered homogeneous substrates (with CH3, NH2, or OH terminal groups), PC 12 cell adhesion is driven by chemical affinity, and only a few cells initiate neurites. Conversely, PC 12 cell adhesion is guaranteed when seeded on highly disordered substrates, whatever couple of chemical groups (CH3/OH or NH2/OH) generates the surface heterogeneities. In addition, high levels of PC 12 cell neuritogenesis are observed by less than 48 h of culture, and without NGF treatment. This work demonstrates that surface chemical heterogeneities, that generate nanoscale surface-energy gradients, are critical to biological processes such as nerve regeneration on biomaterials.