L'eau représente environ 60% du corps humain. Plus de la moitié de cette eau se glisse à l'intérieur des cellules qui composent les organes et les tissus. Une grande partie de l'eau restante s'écoule dans les coins et recoins entre les cellules, un peu comme l'eau de mer entre les grains de sable.
Maintenant, les ingénieurs du MIT ont découvert que ce fluide « intercellulaire » joue un rôle majeur dans la façon dont les tissus réagissent lorsqu'ils sont pressés, pressés ou déformés physiquement. Leurs résultats pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les cellules, les tissus et les organes s'adaptent physiquement à des conditions telles que le vieillissement, le cancer, le diabète et certaines maladies neuromusculaires.
Dans un article apparaissant dans Physique de la natureles chercheurs montrent que lorsqu'un tissu est pressé ou serré, il est plus conforme et se détend plus rapidement lorsque le fluide entre ses cellules coule facilement. Lorsque les cellules sont emballées ensemble et qu'il y a moins de place pour l'écoulement intercellulaire, le tissu dans son ensemble est plus rigide et résiste à être pressé ou pressé.
Les résultats remettent en question la sagesse conventionnelle, qui a supposé que la conformité d'un tissu dépend principalement de ce qui est à l'intérieur, plutôt que autour d'une cellule.
Maintenant que les chercheurs ont montré que l'écoulement intercellulaire détermine comment les tissus s'adapteront aux forces physiques, les résultats peuvent être appliqués pour comprendre un large éventail de conditions physiologiques, y compris comment les muscles résistent à l'exercice et se remettent d'une blessure, et comment l'adaptabilité physique d'un tissu peut affecter la progression du vieillissement, du cancer et d'autres conditions médicales.
L'équipe envisage que les résultats pourraient également éclairer la conception des tissus et organes artificiels. Par exemple, dans l'ingénierie des tissus artificiels, les scientifiques pourraient optimiser le flux intercellulaire dans le tissu pour améliorer sa fonction ou sa résilience. Les chercheurs soupçonnent que le débit intercellulaire pourrait également être une voie pour fournir des nutriments ou des thérapies, soit pour guérir un tissu, soit éradiquer une tumeur.
« Les gens savent qu'il y a beaucoup de liquide entre les cellules dans les tissus, mais l'importance, en particulier dans la déformation des tissus, est complètement ignorée », explique Ming Guo, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.
« Maintenant, nous montrons vraiment que nous pouvons observer ce flux. Et au fur et à mesure que le tissu se déforme, le flux entre les cellules domine le comportement. Alors, faisons attention à cela lorsque nous étudions les maladies et les tissus ingénieurs. »
Guo est co-auteur de la nouvelle étude, qui comprend l'auteur principal et le fan postdoctoral du MIT Liu Ph.D., ainsi que Bo Gao et Hui Li de l'Université normale de Pékin, et Liran Lei et Shuainan Liu du Peking Union Medical College.
Pressé et serré
Les tissus et les organes de notre corps subissent constamment des déformations physiques, du grand étirement et de la tension des muscles pendant le mouvement vers les petites et régulières des contractions du cœur. Dans certains cas, la facilité avec laquelle les tissus s'adaptent à la déformation peuvent être liés à la rapidité avec laquelle une personne peut récupérer, par exemple, d'une réaction allergique, d'une blessure sportive ou d'un coup cérébral. Cependant, exactement ce qui définit la réponse d'un tissu à la déformation est largement inconnu.
Guo et son groupe au MIT ont examiné la mécanique de la déformation tissulaire, et le rôle de l'écoulement intercellulaire en particulier, à la suite d'une étude qu'ils ont publiée en 2020.
Dans cette étude, ils se sont concentrés sur les tumeurs et ont observé la façon dont le fluide peut s'écouler du centre d'une tumeur à ses bords, à travers les fissures et les crevasses entre les cellules tumorales individuelles. Ils ont constaté que lorsqu'une tumeur était serrée ou pressée, l'écoulement intercellulaire augmentait, agissant comme un tapis roulant pour transporter le liquide du centre aux bords. Le débit intercellulaire, selon eux, pouvait alimenter l'invasion des tumeurs dans les régions environnantes.
Dans leur nouvelle étude, l'équipe a cherché à voir quel rôle ce flux intercellulaire pourrait jouer dans d'autres tissus non cancéreux.
« Que vous permez au fluide s'écouler entre les cellules ou non semble avoir un impact majeur », explique Guo. « Nous avons donc décidé de regarder au-delà des tumeurs pour voir comment ce flux influence comment les autres tissus réagissent à la déformation. »
Une crêpe fluide
Guo, Liu et leurs collègues ont étudié le flux intercellulaire dans une variété de tissus biologiques, y compris des cellules dérivées du tissu pancréatique. Ils ont effectué des expériences dans lesquelles ils ont cultivé de petits grappes de tissus pour la première fois, mesurant chacun moins d'un quart de millimètre de large et en nombre de dizaines de milliers de cellules individuelles. Ils ont placé chaque groupe de tissus dans une plate-forme de test conçue sur mesure que l'équipe a construite spécifiquement pour l'étude.
« Ces échantillons de microtissus se trouvent dans cette zone douce où elles sont trop grandes pour voir avec des techniques de microscopie à force atomique et trop petites pour les appareils plus volumineux », explique Guo. « Donc, nous avons décidé de construire un appareil. »
Les chercheurs ont adapté une microbalance de haute précision qui mesure les changements de poids infimes. Ils ont combiné cela avec un moteur de pas conçu pour appuyer sur un échantillon avec une précision nanométrique.
L'équipe a placé des grappes de tissus une à la fois sur l'équilibre et a enregistré le poids changeant de chaque cluster alors qu'il se détendait d'une sphère à la forme d'une crêpe en réponse à la compression. L'équipe a également pris des vidéos des clusters alors qu'ils étaient pressés.
Pour chaque type de tissu, l'équipe a fait des grappes de tailles variables. Ils ont estimé que si la réponse du tissu est dirigée par l'écoulement entre les cellules, plus un tissu est gros, plus il faut que de l'eau se fasse de l'eau, et par conséquent, plus il devrait prendre le tissu pour se détendre. Il devrait prendre le même temps, quelle que soit la taille, si la réponse d'un tissu est déterminée par la structure du tissu plutôt que par fluide.
Au cours de plusieurs expériences avec une variété de types de tissus et de tailles, l'équipe a observé une tendance similaire: plus le cluster est grand, plus il a fallu longtemps pour se détendre, indiquant que l'écoulement intercellulaire domine la réponse d'un tissu à la déformation.
« Nous montrons que ce flux intercellulaire est un élément crucial à considérer dans la compréhension fondamentale de la mécanique tissulaire et également des applications dans les systèmes de vie en génie », explique Liu.
À l'avenir, l'équipe prévoit de examiner comment le flux intercellulaire influence la fonction cérébrale, en particulier dans les troubles tels que la maladie d'Alzheimer.
« Le débit intercellulaire ou interstitiel peut vous aider à éliminer les déchets et à fournir des nutriments au cerveau », ajoute Liu. « Améliorer ce flux dans certains cas pourrait être une bonne chose. »
« Comme le montre ces travaux, alors que nous appliquons une pression sur un tissu, le fluide coulera », explique Guo. « À l'avenir, nous pouvons penser à concevoir des moyens de masser un tissu pour permettre au liquide de transporter les nutriments entre les cellules. »
