Dans une découverte qui pourrait remodeler les approches de la médecine régénérative et de la réparation osseuse, les chercheurs ont constaté que les cellules souches humaines peuvent être invitées à commencer à se transformer en cellules osseuses simplement en serrant à travers des espaces étroits.
L'étude suggère que l'acte physique de se déplacer à travers des espaces restreints et confiants, comme ceux entre les tissus, peut influencer le développement des cellules souches. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les matériaux d'ingénierie et les thérapies en guidant le comportement des cellules en utilisant des signaux physiques plutôt que chimiques.
La recherche a été dirigée par le professeur adjoint Andrew Holle du Département de génie biomédical du College of Design and Engineering de l'Université nationale de Singapour (NUS), et de l'Institut de mécanobiologie (MBI) à NUS, et a été publié le 8 mai 2025 dans la revue Science avancée.
«Mémoire» mécanique
Asst Prof Holle dirige le laboratoire de mécanobiologie de confinement à MBI. Son laboratoire étudie comment les contraintes physiques – en particulier les espaces restreints que les cellules rencontrent auxquels ils se déplacent – affectent la façon dont les cellules se comportent, fonctionnent et se développent. Alors que la plupart des recherches antérieures dans ce domaine se sont concentrées sur le cancer et les cellules immunitaires, son équipe est parmi les premières à explorer comment ces forces affectent les cellules souches, dans le but d'appliquer leurs résultats à de futures thérapies.
Les chercheurs se sont concentrés sur un type de cellules souches adultes appelées cellules souches mésenchymateuses, ou MSC. Ces cellules se trouvent dans la moelle osseuse et d'autres tissus et sont connues pour leur capacité à se développer en os, cartilage et cellules graisseuses. En raison de ces propriétés, les CSM sont largement utilisées dans la recherche sur la réparation et la régénération des tissus.
Pour tester comment les forces physiques influencent le destin des cellules souches, nous avons développé un système de microcanal spécialisé qui imite les cellules des espaces tissulaires étroits naviguent dans le corps. «
Asst Prof. Holle, laboratoire de mécanobiologie de confinement à MBI
Ils ont constaté que lorsque les CSM se serraient à travers les plus petits canaux (seulement trois micromètres de large), la pression a provoqué des modifications durables à la forme et à la structure des cellules. Ces cellules ont montré une activité accrue dans un gène appelé runx2, qui joue un rôle clé dans la formation osseuse. Même après avoir quitté les canaux, ils ont conservé cet effet – suggérant qu'ils transportent une sorte de «mémoire» mécanique de l'expérience.
« La plupart des gens pensent que le destin des cellules souches est déterminé par les signaux chimiques », a déclaré le professeur Holle. « Ce que notre étude montre, c'est que le confinement physique seul – le pressant à travers des espaces restreints – peut également être un déclencheur puissant de la différenciation. »
Alors que les méthodes traditionnelles de réalisation des cellules souches reposent sur des indices chimiques ou les cultivent sur des matériaux rigides ou mous, l'équipe d'Asst Prof Holle pense que la sélection basée sur le confinement peut offrir une alternative plus simple, moins chère et potentiellement plus sûre. « Cette méthode ne nécessite pas de produits chimiques ni de modification génétique – juste un labyrinthe pour que les cellules rampent », a-t-il déclaré. « En théorie, vous pouvez le faire évoluer pour collecter des millions de cellules préconditionnées pour une utilisation thérapeutique. »
Étapes suivantes
Les chercheurs disent que leurs résultats pourraient aider à améliorer la conception des biomatériaux et des échafaudages utilisés dans la réparation osseuse, en créant des environnements physiques qui encouragent naturellement le bon type de développement cellulaire. « En réglant les propriétés mécaniques des matériaux, nous pourrions être en mesure de diriger les cellules souches de manière plus fiable vers les types de cellules que nous voulons », a déclaré Asst Prof Holle.
L'approche pourrait un jour être utilisée pour accélérer la récupération des fractures osseuses ou améliorer l'efficacité des thérapies sur les cellules souches.
« Nous aimerions tester si les cellules préconditionnées qui ont traversé cette sélection mécanique sont meilleures pour favoriser la guérison lorsqu'elles sont introduites sur les sites de blessures », a déclaré le professeur Holle. « C'est l'une des prochaines étapes. »
Au-delà de la réparation des os, la recherche peut avoir des implications plus larges. Les CSM sont également connus pour migrer vers les tumeurs, et l'équipe de recherche s'intéresse à savoir si les cellules préconditionnées mécaniquement pourraient être mieux équipées pour se déplacer à travers des tissus tumoraux denses – un défi qui a limité le succès de nombreuses thérapies cellulaires actuelles.
Le groupe explore également si la technique pourrait s'appliquer à des types de cellules souches plus puissantes, telles que les cellules souches pluripotentes induites (IPSC), qui peuvent se développer dans presque tous les tissus du corps.
« Nous soupçonnons que le confinement joue un rôle même dans le développement embryonnaire », a déclaré le professeur Holle. « Les cellules migrant dans des environnements surpeuplées tôt dans la vie sont exposés à un stress mécanique qui pourrait façonner leur sort. Nous pensons que cette idée a un potentiel bien au-delà des CSM. »
