Propriétés mécaniques des Cellules Musculaires Lisses isolées issues d’aortes humaines saines et anévrysmales

Une thématique multiéchelle

Alors que les précédents travaux du laboratoire SAINBIOSE (INSERM UMR 1059) se sont focalisés sur l’échelle tissulaire de l’aorte thoracique ascendante (Duprey et al., 2016; Romo, 2014; Trabelsi et al., 2015), il est important de considérer que tout tissu biologique est lui-même constitué d’un ensemble de cellules et d’une matrice extracellulaire (Fig. 1.1), et il est naturel de se demander comment se traduit le comportement mécanique du tissu à partir de celui de la cellule.

Echelle systémique

L’appareil cardiovasculaire

L’appareil cardiovasculaire fait référence au système de conduction et de distribution du sang à travers tout l’organisme. La circulation du sang est impulsée par le cycle cardiaque, rythmé par la systole (éjection du sang en dehors du cœur par contraction des ventricules) et la diastole (aspiration du sang dans les ventricules). Le cœur agit alors comme une pompe qui permet la circulation du sang vers l’ensemble des tissus du corps grâce à des vaisseaux de différents types, et suivant un sens de parcours établi selon la décroissance du diamètre des vaisseaux traversés (Cabrera Fischer, 2019). Ainsi, les artères délivrent le sang oxygéné depuis le ventricule gauche jusqu’aux artérioles, puis aux capillaires qui alimentent alors les tissus en oxygène et en nutriments.

En échange, ces mêmes tissus produisent des déchets et appauvrissent le sang en oxygène, qui ressort et remonte vers le cœur par le système veineux : d’abord par les veinules liées aux tissus, puis par les veines musculaires et enfin par les veines fibreuses et la veine cave liée au ventricule droit (Fig. 1.2). La réoxygénation du sang à la sortie du ventricule droit a lieu entre les globules rouges circulant dans le système capillaire pulmonaire et les alvéoles pulmonaires, grâce à un phénomène d’échanges gazeux (Powers and Dhamoon, 2020; Wagner, 2015). Les globules rouges ont en effet un cytoplasme riche en hémoglobine, une protéine capable de fixer le dioxygène, ce qui leur permet de le transporter jusqu’aux alvéoles (Pittman, 2011). Le sang réoxygéné parvient de nouveau au ventricule gauche, prêt à être réexpulsé lors de la prochaine systole par l’aorte.

Zoom sur l’aorte 

L’aorte, et plus généralement les artères, contribuent à la distribution du débit sanguin et de l’oxygène porté par les globules rouges vers tous les tissus de l’organisme, et peuvent être classées en trois catégories selon l’ordre croissant de leur diamètre :

➤ Les artérioles (<100μm de diamètre, ce sont les plus proches des tissus desservis)
➤ Les artères musculaires (1 à 10mm de diamètre, faisant le lien entre les artères élastiques et les artérioles)
➤ Les artères élastiques (2 à 3 cm de diamètre, dont le rôle est de réguler le débit sanguin à la sortie du cœur).

L’aorte constitue la plus grosse artère de l’organisme chez les mammifères. Elle relie le ventricule gauche du cœur à l’abdomen, et parvient aux membres inférieurs du corps en se divisant en deux artères : les artères iliaques communes. L’aorte est également divisée en deux parties par rapport au diaphragme : l’aorte thoracique et l’aorte abdominale (Fig. 1.3). En réalité, l’aorte thoracique est elle-même constituée de trois parties, à savoir la crosse aortique, l’aorte ascendante, et la racine aortique en sortie du cœur (Fig. 1.3).

Fonctionnalité spécifique de l’aorte

L’aorte est la plus grosse des artères élastiques, dont les parois sont riches en élastine qui leur confère une importante extensibilité. L’aorte est soumise, de par le rythme cardiaque, à des cycles successifs de charge/décharge avec une variation cyclique de la pression sanguine. Le cycle cardiaque envoie, lors de la systole, environ 100 mL de sang vers l’aorte (Romo, 2014), qui subit une soudaine augmentation de pression, mais dont les propriétés élastiques naturelles permettent de supporter ce volume d’éjection par distension de la paroi. Lors de la diastole, l’aorte tend à retrouver sa morphologie initiale en restituant l’énergie accumulée lors de la systole sous forme d’un flux sanguin continu (Fig. 1.4). Ce cycle d’extension/contraction de l’aorte au cours du cycle cardiaque est à l’origine de l’effet Windkessel, qui contribue au maintien d’un débit sanguin continu à partir d’un débit pulsé discontinu, et ce sur l’ensemble de l’aorte (Romo, 2014).

Cependant, la capacité naturelle de l’artère élastique à encaisser les efforts subis en situation normale peut être altérée par une modification géométrique ou physique de la paroi artérielle. Autrement dit, toute modification de l’élasticité de la paroi causée entre autres par le vieillissement, les mutations génétiques ou certaines pathologies entraîne un risque de fragilisation et par conséquent des dysfonctionnements à plus ou moins long terme :
➤ Chroniques → hypertension, troubles vasculaires, insuffisance cardiaque, formation d’un anévrisme…
➤ Aigus → accident vasculaire cérébral, infarctus, rupture d’anévrisme…

Echelle tissulaire

Structure de la paroi aortique

Généralement, la structure des artères, et plus particulièrement de l’aorte, comporte trois couches (Rapp, 1997; Romo, 2014):
➤ L’intima, d’épaisseur très faible car constituée d’une monocouche de cellules endothéliales. Elle délimite la lumière de l’artère et est en contact direct avec le flux sanguin, et permet des échanges biochimiques entre le flux sanguin et les couches internes de la paroi.
➤ La media, contenant des cellules musculaires lisses au sein d’une matrice riche en élastine. Il s’agit de la couche la plus épaisse, à savoir 2/3 de l’épaisseur totale de la paroi aortique.
➤ L’adventice, couche la plus externe, qui représente 1/3 de l’épaisseur globale, et qui contient notamment des fibroblastes, dans une matrice riche en collagène, apte à protéger la paroi contre les fortes sollicitations mécaniques (Humphrey et al., 2015; Wagenseil and Mecham, 2009; Wolinsky and Glagov, 1964).

Composition des différents tissus 

Chacune des couches de la paroi contient un type de cellule spécifique au sein d’une matrice extracellulaire (ECM), formant le tissu conjonctif. L’ECM contient principalement de l’élastine et du collagène, participant à la formation des fibres élastiques, et en proportion particulière selon le type d’artère, des Glycosaminoglycanes (GAG), mais également des glycoprotéines d’adhésion cellulaire telles que la laminine ou la fibronectine. L’ECM contribue donc tout autant au maintien des propriétés mécaniques de la paroi artérielle, mais fournit également un support adhésif aux cellules qui la constituent (Humphrey, 2002). Certaines interactions biochimiques existent également entre les composés de l’ECM et les cellules, ce qui influe sur la réponse cellulaire.

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Table des matières

CHAPITRE 1 : Introduction
1. Introduction au chapitre
2. Une thématique multiéchelle
2.1. Echelle systémique
2.2. Echelle tissulaire
2.3. Echelle cellulaire : approche épigénétique
3. Mécanobiologie
3.1. Un comportement biomécanique complexe
3.2. Homéostasie
4. Enjeux de cette recherche
4.1. Projet de recherche associé
4.2. Cadre de la thèse
5. Conclusion
CHAPITRE 2 : La Cellule Musculaire Lisse, témoin de l’état biophysique de la paroi vasculaire
1 Introduction
2 Résumé de la revue
3 Revue
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Basics of aortic wall mechanics and passive biomechanical role of SMCs
3.4 Active biomechanical behavior
3.5 Mechanosensing and mechanotransduction
3.6 Summary and future directions
3.7 Liste des tables
Conclusion
CHAPITRE 3 : Mesure de contractilité par Traction Force Microscopy
1. Introduction
2. Résumé de la publication
3. Contenu de la publication
3.1. Abstract
3.2. Introduction
3.3. Material and methods
3.4. Results
3.5. Discussion
3.6. Conclusion
4. Conclusion
CHAPITRE 4 : Comparaison de la contractilité des CML saines et anévrismales
1. Introduction
2. Résumé de la publication
3. Contenu de la publication
3.1. Abstract
3.2. Introduction
3.3. Materials and methods
3.4. Results
3.5. Discussion
3.6. Conclusion
3.7. Acknowledgements
4. Conclusion
CHAPITRE 5 : Mesure de la rigidité des CML saines et anévrismales par nanoindentation AFM
1. Introduction
2. Résumé de la publication
3. Contenu de la publication
3.1. Abstract
3.2. Introduction
3.3. Material and methods
3.4. Results
3.5. Discussion
3.6. Conclusion
4. Conclusion
CHAPITRE 6 : Conclusions

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