Il ne fait aucun doute que l’exercice fait du bien au corps, notamment en renforçant et en tonifiant nos muscles. Mais comment exactement l’exercice permet-il d’y parvenir ?
Lorsque nous courons, soulevons et étirons, nos muscles subissent des signaux chimiques provenant des cellules environnantes, ainsi que des forces mécaniques provenant des bousculades contre les tissus. Certains physiologistes se demandent : s’agit-il des stimulants chimiques naturels du corps ou des forces physiques des mouvements répétés – ; ou un mélange des deux – ; qui finalement pousse nos muscles à se développer ? La réponse pourrait être la clé pour identifier des thérapies permettant d’aider les personnes à se remettre de blessures musculaires et de troubles neurodégénératifs.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont conçu une sorte de tapis d’entraînement pour les cellules qui peut aider les scientifiques à se concentrer, au niveau microscopique, sur les effets purement mécaniques de l’exercice.
Le nouveau design n’est pas si différent d’un tapis de yoga : les deux sont caoutchouteux, avec un peu d’étirement. Dans le cas du tapis MIT, il est fabriqué à partir d’hydrogel – ; un matériau doux, semblable à du Jell-O, qui a environ la taille d’une pièce de monnaie et qui est incrusté de microparticules magnétiques.
Pour activer la fonction mécanique du gel, les chercheurs ont utilisé un aimant externe sous le tapis pour déplacer les particules incorporées d’avant en arrière, faisant osciller le gel à son tour comme un tapis vibrant. Ils ont contrôlé la fréquence des oscillations pour imiter les forces que les muscles subiraient lors d’un exercice réel.
Ils ont ensuite fait pousser un tapis de cellules musculaires à la surface du gel et ont activé le mouvement de l’aimant. Ensuite, ils ont étudié comment les cellules réagissaient aux « exercices » lorsqu’elles étaient soumises à des vibrations magnétiques.
Jusqu’à présent, les résultats suggèrent qu’un exercice mécanique régulier peut aider les fibres musculaires à se développer dans la même direction. Ces fibres alignées et « exercées » peuvent également fonctionner ou se contracter de manière synchronisée. Les résultats démontrent que les scientifiques peuvent utiliser le nouveau gel d’entraînement pour façonner la croissance des fibres musculaires. Avec leur nouvel appareil, l’équipe prévoit de modéliser des feuilles de muscles forts et fonctionnels, potentiellement destinées à être utilisées dans des robots mous et pour réparer les tissus malades.
Nous espérons utiliser cette nouvelle plateforme pour voir si la stimulation mécanique pourrait aider à guider la repousse musculaire après une blessure ou à atténuer les effets du vieillissement. Les forces mécaniques jouent un rôle très important dans notre corps et notre environnement. Et maintenant nous disposons d’un outil pour étudier cela. »
Ritu Raman, professeur de développement de carrière britannique et Alex d’Arbeloff en conception technique au MIT
Elle et ses collègues ont publié leurs résultats dans la revue Appareil.
Jusqu’au tapis
Au MIT, le laboratoire de Raman conçoit des matériaux vivants adaptatifs destinés à être utilisés en médecine et en robotique. L’équipe conçoit des systèmes neuromusculaires fonctionnels dans le but de restaurer la mobilité des patients souffrant de troubles moteurs et d’alimenter des robots souples et adaptables. Pour mieux comprendre les muscles naturels et les forces qui déterminent leur fonctionnement, son groupe étudie la façon dont les tissus réagissent, au niveau cellulaire, à diverses forces telles que l’exercice.
« Ici, nous voulions un moyen de découpler les deux éléments principaux de l’exercice – chimique et mécanique – et de voir comment les muscles réagissent uniquement aux forces mécaniques de l’exercice », explique Raman.
L’équipe a cherché un moyen d’exposer les cellules musculaires à des forces mécaniques régulières et répétées, sans les endommager physiquement au cours du processus. Ils ont finalement atterri sur des aimants, un moyen sûr et non destructif de générer des forces mécaniques.
Pour leur prototype, les chercheurs ont créé de petites barres magnétiques de la taille d’un micron, en mélangeant d’abord des nanoparticules magnétiques disponibles dans le commerce avec une solution de silicone caoutchouteuse. Ils ont séché le mélange pour former une dalle, puis ont coupé la dalle en barres très fines. Ils ont pris en sandwich quatre barres magnétiques, chacune légèrement espacées, entre deux couches d’hydrogel – ; un matériau généralement utilisé pour cultiver des cellules musculaires. Le tapis résultant, incrusté d’aimants, mesurait environ la taille d’un quart.
L’équipe a ensuite développé un « pavé » de cellules musculaires sur la surface du tapis. Chaque cellule a commencé comme une forme circulaire qui s’est progressivement allongée et a fusionné avec d’autres cellules voisines pour former des fibres au fil du temps.
Enfin, les chercheurs ont placé un aimant externe sur une piste sous le tapis de gel et ont programmé l’aimant pour qu’il se déplace d’avant en arrière. Les aimants intégrés se sont déplacés en réponse, faisant osciller le gel et générant des forces similaires à celles que les cellules subiraient lors d’un exercice réel. L’équipe a mécaniquement « exercé » les cellules pendant 30 minutes par jour, pendant 10 jours. À titre de contrôle, ils ont fait croître des cellules sur le même tapis, mais les ont laissées croître sans les exercer.
« Ensuite, nous avons effectué un zoom arrière et pris une photo du gel, et avons constaté que ces cellules stimulées mécaniquement étaient très différentes des cellules témoins », explique Raman.
Cellules synchronisées
Les expériences de l’équipe ont révélé que les cellules musculaires régulièrement exposées à des mouvements mécaniques se développaient plus longtemps que les cellules non exercées, qui avaient tendance à conserver une forme circulaire. De plus, les cellules « exercées » se sont transformées en fibres alignées dans la même direction, alors que les cellules immobiles ressemblaient à une botte de foin plus aléatoire de fibres mal alignées.
Les cellules musculaires utilisées par l’équipe dans cette étude ont été génétiquement modifiées pour se contracter en réponse à la lumière bleue. En règle générale, les cellules musculaires du corps se contractent en réponse à l’impulsion électrique d’un nerf. Cependant, la stimulation électrique des cellules musculaires en laboratoire pourrait potentiellement les endommager, c’est pourquoi l’équipe a choisi de manipuler génétiquement les cellules pour qu’elles se contractent en réponse à un stimulus non invasif – ; dans ce cas, la lumière bleue.
« Lorsque nous éclairons les muscles, vous pouvez voir que les cellules de contrôle battent, mais certaines fibres battent de cette façon, d’autres de cette façon, et produisent globalement une contraction très asynchrone », explique Raman. « Alors qu’avec les fibres alignées, elles tirent et battent toutes en même temps, dans la même direction. »
Raman dit que le nouveau gel d’entraînement, qu’elle surnomme MagMA, pour Magnetic Matrix Actuation, peut servir de moyen rapide et non invasif pour façonner les fibres musculaires et étudier comment elles réagissent à l’exercice. Elle prévoit également de cultiver d’autres types de cellules sur le gel afin d’étudier leur réaction à un exercice régulier.
« Il existe des preuves biologiques suggérant que de nombreux types de cellules réagissent à une stimulation mécanique », explique Raman. « Et il s’agit d’un nouvel outil pour étudier les interactions. »
Cette étude a été financée en partie par la National Science Foundation des États-Unis et le Bureau de recherche de l’armée du ministère de la Défense.
