Avancées dans les études in vitro des interactions cellule-glycocalyx : développement d'une plateforme définie mécaniquement et biochimiquement

Advancing in vitro studies of cell-glycocalyx interactions : development of a mechanically and biochemically defined platform

• Auteur / Autrice : Oksana Kirichuk
• Direction : Delphine Débarre, Lionel Bureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Planus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliane Guérente
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Théodoly, Marta Bally

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie confocale

Ellipsométrie

Cellules -- Adhésivité

Sang -- Débit

Mots clés libres

Glycocalyx

Interactions cellules-Surface

Flux sanguin

Fonctionnalisation de surface

Brosse d'hyaluronane

Plateforme in vitro

Glycocalyx

Cell-Surface interactions

Blood flow

Surface functionalization

Hyaluronan brush

In vitro platform

Résumé

L'adhésion des cellules à la paroi des vaisseaux sanguins est un processus complexe. Les globules rouges doivent s'éloigner de la paroi du vaisseau pour éviter la formation de caillots, tandis que les cellules immunitaires peuvent migrer dans les tissus. Ce processus repose sur le glycocalyx, une couche de macromolécules couvrant la paroi des vaisseaux. Cependant, nous ne comprenons pas complètement comment les propriétés du glycocalyx (souplesse, épaisseur, composition des récepteurs) affectent cette régulation. Notre hypothèse est que l'adhésion sélective des cellules fait intervenir des facteurs mécaniques et biochimiques. Il est difficile d'étudier ce phénomène dans de vrais vaisseaux sanguins, c'est pourquoi mon étude s'est concentrée sur le développement d'une plateforme in vitro. Cette plateforme combine un modèle de glycocalyx avec des modèles synthétiques de globules blancs sous flux, permettant un contrôle précis des paramètres physiques et biochimiques du modèle de glycocalyx et des modèles de cellules.Le modèle de glycocalyx nouvellement développé comprend plusieurs ingrédients clés dont les propriétés sont étroitement contrôlées : une brosse d’acide hyaluronique (HA, un composant essentiel du glycocalyx endothélial) est combinée à la sélectine P (une molécule d'adhésion à la surface des cellules endothéliales qui joue un rôle essentiel dans l'orientation des leucocytes). En m'appuyant sur l'expérience précédente de mon groupe de recherche, j'ai utilisé une bicouche lipidique supportée sur une lamelle de verre (SLB) portant une monocouche de streptavidine (SAv), qui peut lier des molécules biotinylées par l'intermédiaire de liaisons biotine-SAv. Je présente ici un contrôle de la mobilité dans le plan des molécules ancrées à la bicouche lipidique fluide en utilisant le glutaraldéhyde (GTA) comme agent de réticulation pour la SAv. Des densités de greffage contrôlées de chaînes d'HA biotinylées à une extrémité et de différentes longueurs permettent de créer des brosses aux propriétés mécaniques différentes. Je présente également une nouvelle méthodologie permettant d'ajuster quantitativement la densité de greffage de molécules biotinylées plus petites, qui est utilisée ici pour contrôler la densité de greffage d'une ''protéine adaptatrice'' pour l'ancrage de la P-sélectine. Le nouveau modèle in vitro du glycocalyx permet ainsi de contrôler la mobilité latérale, la densité de surface et l'orientation de deux molécules fonctionnelles distinctes.Le deuxième élément clé de la nouvelle plateforme consiste en des modèles de globules blancs, développés sur la base de microbilles disponibles dans le commerce ayant la taille d'une cellule et une fonctionalisation de surface avec de la SAv. Je présente une méthodologie pour le greffage simultané de deux types de protéines à la surface des billes : CD44 biotinylé (un ligand exprimé à la surface des leucocytes, interagissant spécifiquement avec l'HA) et PSGL-1 (un ligand de la P-sélectine). En outre, je présente une méthode permettant de contrôler la densité de surface de chacune de ces protéines.J'utilise une combinaison de méthodes comme outils de quantification et de contrôle de la qualité de la formation du modèle de glycocalyx et de la fonctionnalisation des billes : microbalance à quartz avec mesure de dissipation (QCM-D) ; ellipsométrie spectroscopique (SE), microscopie à contraste interférentiel par réflexion (RICM) ; microscopie confocale avec redistribution de fluorescence après photoblanchiment (FRAP), et cytométrie en flux.Cette plateforme nouvellement établie offre des conditions contrôlées pour l'étude de l'adhésion des cellules sanguines, reliant les interactions chimiques cellule-glycocalyx et les aspects mécaniques de la migration cellulaire sous flux. Elle est facilement complexifiable ou adaptable, permettant une compréhension de plus en plus fine de l'adhésion des cellules aux vaisseaux sanguins.

Cell adhesion to the blood vessel wall is a complex, highly regulated physiological process. Red blood cells must repel from the blood vessel wall to prevent blood clotting while immune cells can be recruited from the vascular system to migrate into surrounding tissues. Cell adhesion hinges on the critical role played by the glycocalyx, a soft gel-like layer coating the vascular wall. However, how glycocalyx mechanical (softness, thickness) and biochemical (the composition and the density of surface receptors) properties affect this regulation is still poorly understood. Our hypothesis is that selective cell adhesion requires an intricate interplay of mechanical and biochemical cues. Elucidating the physical and molecular mechanisms that underpin selective adhesion directly in real blood vessels is challenging owing to the complexity and lack of control in in vivo systems. In my research, I aimed to construct an in vitro molecular interaction platform to facilitate mechanistic analyses. The platform combines a molecularly-defined model of the glycocalyx with mimetics of white blood cells under flow. While developing such a platform posed challenges, it offers the advantage of precise control over the physical and biochemical parameters of both the glycocalyx mimetic and cell mimetics.The newly developed glycocalyx model includes several key ingredients with tightly controlled properties: a brush of hyaluronan (HA, an essential component of the endothelial glycocalyx) is combined with P-selectin (an adhesion molecule on the endothelial cell surface critical for the homing of leukocytes). Building on previous experience in my research group, I employed a silica-supported lipid bilayer (SLB) bearing a monolayer of streptavidin (SAv), that can bind biotinylated molecules via biotin-SAv bonds. I introduce here a control of the in-plane mobility of molecules anchored to the fluid lipid bilayer using glutaraldehyde (GTA) as a cross-linking agent for SAv. Controlled grafting densities of one-end biotinylated HA chains of various lengths then create brushes of different mechanical properties. I also present a new methodology for quantitatively tuning the grafting density of smaller biotinylated molecules, which is deployed here to control the grafting density of an ‘adapter protein’ for anchoring P-selectin. The new in vitro model of the glycocalyx thus affords control over the lateral mobility, the surface density and the orientation of two distinct functional molecules.The second key component of the newly developed platform consists of white blood cell mimetics, developed based on commercially available microbeads with the size of a cell and a SAv coating. I introduce a methodology for simultaneous grafting of two types of proteins onto the bead surface: biotinylated CD44 (a ligand expressed on leukocyte surfaces, interacting specifically with HA) and PSGL-1 (a ligand of P-selectin). Additionally, I present a method for controlling the surface density of each of these proteins.I use a combination of methods as monitoring and quality control tools of glycocalyx model formation and bead functionalization: quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D); spectroscopic ellipsometry (SE), reflection interference contrast microscopy (RICM); confocal microscopy with fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) capabilities, and flow cytometry.This newly established platform provides a controlled environment for studying blood cell adhesion, effectively bridging the divide between cell-glycocalyx chemical interactions and the mechanical aspects of cell migration under flow, including attachment and repulsion from the vascular wall. This platform holds the potential for expansion to encompass other surface adhesion molecules or to integrate multiple adhesion molecules, to gradually advance from the bottom up our understanding of the mechanisms governing cell adhesion to blood vessels.