Forces dans un microvaisseau-sur-puce : développement du système, mécanique poroélastique et réponse cellulaire

Forces in a microvessel-on-chip : system development,poroelasticity mechanics and cellular response

• Auteur / Autrice : Claire Dessalles
• Direction : Abdul I. Barakat, Avin Babataheri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 15/09/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdul I. Barakat, Avin Babataheri, Andries Van der meer, Benoît Ladoux, Guillaume Charras, Kristen Mills
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andries Van der meer, Benoît Ladoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules endothéliales

Biotechnologie

Biophysique

Biomécanique

Mots clés libres

Biomécanique

Biophysique

Biomatériaux

Organes-sur-puces

Cellules endothéliales

Biomechanics

Biophysics

Biomaterials

Organ-on-chip

Endothelial cells

Résumé

Les cellules endothéliales qui tapissent la paroi des vaisseaux sanguins sont capables de détecter et de répondre aux nombreuses forces mécaniques présentes dans le système microvasculaire. Bien que l'influence de forces dues au cisaillement, à la rigidité et à la courbure soit bien étudiée, le rôle de l'étirement et de la tension de la paroi vasculaire demeure peu compris, en particulier dans le cas des monocouches jointives. Les plateformes in vitro telles que les organes sur puce sont idéales pour l'étude de ces phénomènes, puisqu'elles offrent une panoplie de stimuli mécaniques contrôlables et caractérisables .Le premier étape de ma thèse a été le développment d'un microvaisseau-sur-puce, constitué d'un hydrogel, permettant de générer à la fois le cisaillement et l'étirement circonférentiel de manière pulsatile, par l'actionnement par flux. Le concept est le suivant: en imposant un certain débit dans le microcanal, la pression luminale augmente à cause de la résistance hydraulique du canal, ce qui dilate le vaisseau. J'ai ensuite réalisé une caractérisation exhaustive du comportement mécanique du système et démontré que le cisaillement et l'étirement couvrent les plages de valeurs physiologiques. Puisque les deux contraintes découlent de la pression luminale, le cisaillement et l'étirement sont intrinséquement couplés. Pour contrôler chaque contraintes indépendemment, j'ai exploré trois stratégies: (1) l'ajout d'une résistance hydraulique de longueur variable à la sortie du microcanal, (2) le changement de la largeur de l'hydrogel, et (3) la variation de la concentration de l'hydrogel. J'ai également démontré que la monocouche endothéliales agit comme une barrière contre le flux, ce qui explique les déformations plus importantes obtenues dans les canaux endothélialisés par rapport aux canaux sans monocouche cellulaire.L'actionnement par flux luminal peut également être vu comme un essai de compression hydraulique. La deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de la dynamique du gel poroélastique dans ce nouvel essai. Trois réponses majeures ont été analysées : la dynamique de la dilatation du canal après une marche de pression, le champ de déformation et la propagation d'ondes dans le gel. Chacune de ces réponses conduit à des comportements dynamiques complexes, qui peuvent être exploités afin de calculer les paramètres poroélastiques de l'hydrogel, notamment le module d'Young et la permeabilité.La dernière partie de ma thèse a consisté en l'étude de la réponse des monocouches endothéliales à des forces de tractions statiques, où j'ai mis en évidence un nouveau comportement. Les cellules endothéliales ont été fortement remodelées, alignant leur forme globale, leur cytosquelette et leur noyau dans la direction de l'étirement, et cet effet était dépendant de la magnitude de la tension. Les jonctions adhérentes se sont remodelées en jonctions adhérentes focales, une structure spécialisée qui se forme sous tension. Le réseau d'actine corticale s'est également réorganisé en fibres de stress et les jonctions adhérentes focales ont permis la formation de câbles d'actine transcellulaires circonférentiels. En parallèle, j'ai proposé un cadre hypothétique pour la mécanique au long terme des monocouches observées dans cette expérience.En résumé, pendant ma thèse j'ai développé un microvaisseau-sur-puce qui peut soumettre les cellules à des forces de tension, caractérisé son comportement mécanique en détail, et étudié la réponse des cellules aux forces de tractions dans ce système, révélant un nouveau comportement collectif.

Endothelial cells (ECs) lining the inner surfaces of blood vessels sense and respond to the numerous mechanical forces present in the microvascular environment. Although the influence of wall shear stress, stiffness and curvature has been thoroughly investigated, the role of strain and wall tension remains less clear, most notably in the case of confluent monolayers. In vitro platforms such as organ-on-chips are ideal systems to investigate EC mechanobiology as they offer a controllable and well defined set of mechanical stimuli.I started by developing a hydrogel-based microvessel-on-chip that encompasses both shear stress and circumferential strain in a pulsatile manner based on luminal flow actuation. The concept is the following: by imposing a given flow rate inside the channel, the luminal pressure is increased due to the channel's hydraulic resistance, which dilates the vessel. I then performed an extensive characterization of the mechanical behavior of the system and demonstrated that the shear and strain span the physiological ranges. Because both stresses derive from the luminal pressure, shear and strain are tightly coupled. To enable independent control of each stress, I explored three strategies: (1) adding a hydraulic resistance of variable length at the channel output, (2) changing the width of the hydrogel, and (3) tuning the hydrogel concentration. I also demonstrated the endothelial monolayer has an effect of flow shielding which explains the higher deformation obtained in endothelialized channels relative to cell-free channels.The luminal flow actuation in the microvessel-on-chip can also be viewed as a hydraulic compression assay. The second part of my Ph.D. was devoted to the study of the dynamics of the poroelastic gel in this novel assay. Three major responses were investigated: the dynamics of the channel dilation after a pressure step, the strain distribution in the hydrogel and wave propagation. Each of these responses leads to complex dynamic behavior that can be exploited to derive the important poroelastic parameters of the hydrogel, most notably the Young's modulus and the permeability.The final part of my Ph.D. was the investigation of the response of EC monolayers to static tensile stresses where I discovered a new behavior. ECs showed a strong reorganization, aligning their overall shape, cytoskeleton and nuclei in the stretch direction, and the effect was magnitude dependent. Associated with this overall reorientation, adherens junctions (AJs) remodeled into focal AJs (FAJs), a specialized structure that forms under tension. The cortical network of actin filaments also remodeled into thick bundles of central stress fibers. The association of the stress fibers and FAJs enabled the formation of circumferential transendothelial actin cables. In parallel, I proposed a hypothetical framework for the long term monolayer mechanics observed in this assay.In summary, during my Ph.D. I developed a microvessel-on-chip that can subject cells to wall tension, characterized its mechanical behavior in detail, and investigated the response of the cells to the tensile stresses in this system, revealing a novel collective behavior.