Angiogenèse à la demande : Utilisation de forces mécaniques pour produire des réseaux microvasculaires sur mesure

Angiogenesis on Demand: Use of Mechanical Forces to ProduceCustom-Designed Microvascular Networks

• Auteur / Autrice : Sara Barrasa ramos
• Direction : Abdul I. Barakat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 31/10/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LADHYX - Laboratoire d'hydrodynamique

Mots clés

Mots clés libres

Microfluidique

Organ-on-chip

Angiogenèse

Poroelasticité

Matière active

Microfluidics

Organ-on-chip

Angiogenesis

Poroelasticity

Active matter

Résumé

Contexte et importance : L'angiogenèse, processus de formation de nouveaux microvaisseaux sanguins, joue un rôle important dans divers contextes physiologiques et pathologiques. Dans le cas du cancer, les tumeurs à partir d'une certaine taille ne peuvent plus être nourries uniquement par diffusion et dépendent de l'angiogenèse pour assurer leur survie. Ainsi, les médicaments anti-angiogéniques constituent l'une des stratégies les plus attirantes sur le plan conceptuel pour lutter contre le cancer. Dans d'autres scénarios, l'angiogenèse peut être très bénéfique. Par exemple, dans le système cardiovasculaire l'obstruction des artères coronaires peut entraîner une ischémie myocardique importante. Dans ce cas, l'angiogenèse serait hautement souhaitable car elle assurerait un apport sanguin collatéral au muscle cardiaque ainsi limitant l'ischémie tissulaire. Compte tenu de l'importance de l'angiogenèse, il est essentiel de comprendre les mécanismes qui la régulent. L'angiogenèse commence par un processus impliquant la formation de germes de petits vaisseaux qui émanent des microvaisseaux sanguins existants. Ces germes se développent ensuite, se ramifient et fusionnent pour former de nouveaux réseaux microvasculaires complexes. Le processus de germination angiogénique est déclenché lorsque les cellules endothéliales vasculaires (EC), les cellules qui tapissent la surface luminale des vaisseaux sanguins, reçoivent des signaux qui induisent une migration et une activité modifiées. Nous savons depuis longtemps que l'un des signaux qui peuvent déclencher la germination angiogénique est la présence de niveaux élevés de certains facteurs de croissance tels que le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) dans le flux sanguin. Cependant, plus récemment, il est de plus en plus reconnu que la mécanique de fluides à l'intérieur d'un vaisseau sanguin peut contribuer de manière significative à l'apparition et à la morphologie du réseau de germination angiogénique [1]. Cependant, la littérature sur l'implication des facteurs mécaniques dans la germination angiogénique est peu abondante et les stimuli spécifiques impliqués restent controversés. Plus spécifiquement, alors que certaines études ont identifié des niveaux élevés de contrainte de cisaillement (ou de frottement) due au flux sanguin (>1 Pa) comme un paramètre pertinent en corrélation avec la germination angiogénique [2], d'autres ont suggéré que les minima de contrainte de cisaillement sont les principaux responsables [3]. Des études plus récentes ont proposé que la germination est contrôlée par une compétition entre les faibles contraintes de cisaillement et le flux interstitiel (ou transmural) qui se produit en raison du caractère poreux de la paroi vasculaire [4]. Cette image confuse est attribuable, au moins en partie, au fait que les divers facteurs mécaniques des fluides impliqués sont couplés. Par exemple, la pression à l'intérieur d'un vaisseau sanguin régule simultanément le diamètre du vaisseau, entraîne le flux interstitiel et influence les niveaux de contrainte de cisaillement de la paroi. Compte tenu de cela, le rôle de la mécanique dans la germination angiogénique reste inconnu et mérite d'être étudié davantage. Études proposées : La compréhension du rôle des facteurs mécaniques dans le processus de germination angiogénique nécessite un système dans lequel l'environnement mécanique peut être contrôlé et la germination angiogénique surveillée. Nous avons récemment mis au point un nouveau système de micro-vaisseau sur puce consistant en un canal de 120 µm de diamètre intégré dans un hydrogel mou et tapissé d'EC (Fig. 1). Le système permet d'imposer un stress de cisaillement, une contrainte et une pulsatilité de flux physiologiquement pertinents et permet de visualiser le flux interstitiel de l'espace vasculaire dans l'hydrogel de collagène. Nous avons également démontré que la germination angiogénique peut être induite dans ce système en ayant des niveaux suffisamment élevés de VEGF dans le fluide. La taille et l'emplacement de ces germes naissants peuvent être quantifiés grâce à l'analyse automatisée des images. ------------------------------------------------------------ Figure 1. Microvaisseau sur puce dans un hydrogel de collagène 3D avec une doublure endothéliale confluente. Les cellules sont colorées pour les noyaux (DAPI, bleu), la VE-cadhérine (blanc) pour montrer les jonctions cellule-cellule, et l'actine (marron). ------------------------------------------------------------ Nous souhaitons désormais utiliser ce système en combinaison avec la modélisation numérique pour élucider le rôle des facteurs mécaniques dans la germination angiogénique. Une fois cette tâche accomplie, nous proposons d'explorer la possibilité d'utiliser le contrôle de l'environnement mécanique dans le micro-vaisseau sur puce comme moyen d'induire des modèles de germination personnalisés. En cas de succès, cela constituerait la première démonstration de germination contrôlée, une étape importante vers une capacité d'angiogenèse à la demande. Nous proposons les trois objectifs spécifiques suivants : Objectif 1 : établir le rôle des contraintes mécaniques dans la germination des vaisseaux. Nous exploiterons la capacité de contrôler des paramètres mécaniques individuels dans le système de microvaisseaux sur puce ainsi que la capacité d'induire et de surveiller la germination angiogénique afin d'établir le type et la gamme de stimuli mécaniques qui favorisent la germination. Objectif 2 : développer un modèle de calcul prédictif basé sur la poroélasticité. L'environnement mécanique du micro-vaisseau sur puce est assez complexe car les parois du système sont poreuses et le canal est intégré dans une matrice de collagène souple qui se déforme en réponse à la pression à l'intérieur du micro-vaisseau. La meilleure façon de décrire la mécanique de ce système est d'utiliser le cadre de la poroélasticité. Nous proposons d'utiliser ce cadre pour développer un modèle de calcul prédictif des contraintes mécaniques à l'intérieur du micro-vaisseau sur puce. Objectif 3 : germination angiogénique à la demande - conception de différents modèles de germination. La réalisation des objectifs 1 et 2 nous permettra d'explorer l'idée de contrôler l'environnement mécanique dans le micro-vaisseau sur puce dans le but de personnaliser l'endroit où la germination angiogénique se produit le long de la paroi du vaisseau. Ce serait un premier pas vers la notion d'une approche d'angionésie à la demande qui promet de permettre à terme le contrôle de l'architecture des réseaux microvasculaires angiogéniques. Expertise pertinente du laboratoire d'accueil : Le directeur de thèse proposé est Abdul Barakat, directeur de recherche au CNRS, professeur de mécanique et de biologie à l'École Polytechnique et chef du groupe de biomécanique cardiovasculaire à LadHyX. Abdul Barakat s'intéresse depuis longtemps à la biomécanique vasculaire, aux études expérimentales et informatiques de la mécanobiologie des cellules vasculaires, ainsi qu'à la conception et à l'optimisation des dispositifs vasculaires. Références 1. Song JW, Munn LL. Les forces des fluides contrôlent la germination endothéliale, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108 : 15342-15347, 2011. 2. Galie PA, Nguyen D-H T, Choi CK, Cohen DM, Janmey PA, Chen CS. Le seuil de contrainte de cisaillement des fluides régule la germination angiogénique. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111 : 7968-7973, 2014. 3. Ghaffari S, Leask RL, Jones EAV. La dynamique du flux contrôle l'emplacement de la germination et l'élongation directe pendant l'angiogenèse de développement. Development, 142 : 4151-4157, 2015. 4. Akbari E, Spychalski GB, Rangharajan KK, Prakash S, Song JW. Des forces fluidiques concurrentes contrôlent la germination endothéliale dans un modèle 3D de bifurcation des vaisseaux microfluidiques. Micromachines, 10 : 451, 2019.

Background and Significance: Angiogenesis, the process of formation of new blood microvessels, plays an important role in a variety of physiological and pathological settings. In cancer, tumors that are too large to be nourished by diffusion alone rely on angiogenesis to ensure their survival. Thus, anti-angiogenic drugs constitute one of the most conceptually appealing strategies to combat cancer. In other scenarios, angiogenesis can be highly beneficial. For instance, in the cardiovascular system, blockage of coronary arteries can lead to significant myocardial ischemia. Angiogenesis in this case would be highly desirable as it would provide collateral blood supply to the heart muscle and limit tissue ischemia. In light of the importance of angiogenesis, understanding the mechanisms that regulate it is essential. Angiogenesis begins with a process involving the formation of small vessel sprouts that emanate from existing blood microvessels. These sprouts subsequently grow, branch, and fuse to form complex new microvascular networks. The process of angiogenic sprouting is triggered when vascular endothelial cells (ECs), the cells that line the luminal surfaces of blood vessels, receive signals that induce altered EC migration and activity. It has long been known that one signal that can initiate angiogenic sprouting is the presence of elevated levels of certain growth factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF) in the bloodstream. More recently, however, there has been growing recognition that the fluid mechanical environment within a blood vessel can contribute significantly to the occurrence and the morphology of the nascent angiogenic sprouting network [1]. However, the literature on the involvement of mechanical factors in angiogenic sprouting is sparse, and the specific mechanical stimuli involved remain controversial. More specifically, while some studies have implicated high levels of fluid mechanical shear (or frictional) stress (>1 Pa) due to blood flow as the relevant mechanical parameter that correlates with angiogenic sprouting [2], others have suggested that shear stress minima are the principal culprit [3]. More recent studies have proposed that sprouting is controlled by a competition between low shear stresses and the interstitial (or transnural) flow that occurs due to the porous character of the vascular wall [4]. This confusing picture is attributable at least in part due to the fact that the various fluid mechanical factors involved are coupled. For example, pressure within a blood vessel simultaneously regulates vessel diameter, drives interstitial flow, and influences wall shear stress levels. In light of the above, the role of mechanics in angiogenic sprouting remains unknown and merits further investigation. Proposed Studies: Understanding the role of mechanical factors in the process of angiogenic sprouting requires a system within which the mechanical environment can be controlled and angiogenic sprouting monitored. We have recently developed a novel microvessel-on-chip system consisting of a 120 µm-diameter channel embedded in a soft hydrogel and lined with ECs (Fig. 1). The system enables imposing physiologically relevant shear stress, strain, and flow pulsatility and allows visualization of interstitial flow from the vascular space into the collagen hydrogel. We have also demonstrated that angiogenic sprouting can be induced in this system by having sufficiently high levels of VEGF in the fluid. The sizes and locations of these nascent sprouts can be quantified using automated image analysis. ----------------------------------------------------- Figure 1. Microvessel-on-chip in a 3D collagen hydrogel with a confluent endothelial lining. The cells are stained for nuclei (DAPI, blue), VE- cadherin (white) to show cell-cell junctions, and actin (brown). ----------------------------------------------------- We now wish to use this system in combination with computational modeling to elucidate the role of mechanical factors in angiogenic sprouting. Once this task is accomplished, we propose to explore the possibility of using control of the mechanical environment within the microvessel-on-chip as a way to induce customized sprouting patterns. If successful, this would constitute the first demonstration of controlled sprouting, an important step towards an angiogenesis-on-demand capability. We propose the following three specific aims: Aim 1: Establish the role of mechanical stresses in vessel sprouting. We will exploit the capability of controlling individual mechanical parameters within the microvessel-on-chip system as well as the ability to induce and monitor angiogenic sprouting in order to establish the type and range of mechanical stimuli that favor sprouting. Aim 2: Develop a predictive computational model of the based on poroelasticity. The mechanical environment within the microvessel-on-chip is quite complex because the walls of the system are porous and the channel is embedded in a soft collagen matrix that deforms in response to the pressure within the microvessel. The mechanics of this system are best described using the poroelasticity framework. We propose to use this framework to develop a predictive computational model of the mechanical stresses within the microvessel-on-chip. Aim 3: Angiogenic sprouting on demand – designing different sprouting patterns. The successful completion of Aims 1 and 2 will enable us to explore the idea of controlling the mechanical environment within the microvessel-on-chip with the goal of customizing where angiogenic sprouting occurs along the vessel wall. This would be a first step towards the tantalizing notion of an angionesis-on-demand approach that promises to ultimately provide control of the architecture of the angiogenic microvascular networks. Relevant Expertise of the Host Laboratory: The supervisor of the proposed PhD project is Abdul Barakat, CNRS Director of Research, Professor of Mechanics and Biology at Ecole Polytechnique, and head of the cardiovascular biomechanics group at LadHyX. Abdul Barakat has a long-standing interest and expertise in vascular biomechanics, experimental and computational studies of vascular cell mechanobiology, and the design and optimization of vascular devices. References 1. Song JW, Munn LL. Fluid forces control endothelial sprouting, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108: 15342-15347, 2011. 2. Galie PA, Nguyen D-H T, Choi CK, Cohen DM, Janmey PA, Chen CS. Fluid shear stress threshold regulates angiogenic sprouting. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111: 7968-7973, 2014. 3. Ghaffari S, Leask RL, Jones EAV. Flow dynamics control the location of sprouting and direct elongation during developmental angiogenesis. Development, 142: 4151-4157, 2015. 4. Akbari E, Spychalski GB, Rangharajan KK, Prakash S, Song JW. Competing fluid forces control endothelial sprouting in a 3-D microfluidic vessel bifurcation model. Micromachines, 10: 451, 2019.