Cellular Microenvironment Design Lab

Les cellules et les tissus évoluent dans des microenvironnements complexes, où ils sont soumis à une variété de forces physiques et de signaux chimiques. Ces signaux microenvironnementaux régulent la fonction cellulaire et sont donc essentiels à considérer lors de la conception de nouvelles thérapies. Cependant, reproduire ces signaux dans des systèmes de culture cellulaire classiques est souvent difficile, particulièrement lors de l'étude de tissus dynamiques en développement ou atteints d'une pathologie. Notre laboratoire conçoit et fabrique des microtechnologies pour sonder les relations complexes entre la mécanique, les matériaux et la fonction biologique dans les tissus d'ingénierie. En créant des outils d'ingénierie tissulaire de précision et des systèmes de culture cellulaire, nous comprenons mieux les mécanismes physiques sous-jacents aux maladies cardiovasculaires, respiratoires et au cancer, et nous visons à appliquer ces connaissances à la conception de la prochaine génération de plateformes de découverte thérapeutique.

Les cellules sont désormais reconnues comme des carrefours d'activité mécanique : en réponse à des signaux mécaniques externes, elles génèrent des forces, restructurent la matrice environnante et coordonnent l'auto-assemblage des tissus et des organes. Envisager les tissus vivants comme des structures hautement réactives, adaptables et robustes ouvre des perspectives uniques pour comprendre, manipuler et s'inspirer des systèmes biologiques. Pour répondre à certains des défis majeurs liés à la compréhension du rôle des forces mécaniques dans les systèmes biologiques, nous avons développé de nouvelles microtechnologies capables de cribler à haut débit la réponse cellulaire à des charges mécaniques cycliques. Nous avons également conçu des techniques pour mesurer les forces mécaniques dynamiques dans des tissus en développement tridimensionnels, et nous appliquons actuellement ces plateformes technologiques à l'étude de la progression des maladies cardiovasculaires et cancéreuses.

La conception rationnelle de biomatériaux pour orienter la fonction cellulaire est une pierre angulaire du génie tissulaire et de la médecine régénérative. Les scientifiques sont actuellement en mesure de concevoir des biomatériaux à l'échelle nanométrique (moléculaire) et aux échelles macroscopiques pour atteindre ces objectifs. Nous nous concentrons sur la conception de technologies permettant de contrôler les biomatériaux à l'interface de ces deux régimes de taille, et tirons parti des propriétés uniques de tels systèmes micro-ingéniés pour aborder des questions biologiques fondamentales. Dans ce domaine, nous développons des techniques novatrices et polyvalentes pour étudier les cellules dans des environnements tridimensionnels, particulièrement en ce qui concerne le contrôle et la manipulation de la nature fibreuse des environnements d'hydrogel 3D à l'échelle de la cellule unique, et la conception de tissus à micro-échelle pour contourner les limites de transport des systèmes de culture conventionnels. Nous concevons également de nouvelles plateformes de biomatériaux « intelligents » qui permettent la culture de cellules dans des microenvironnements hautement dynamiques, mais contrôlés avec précision. Ces études nécessitent généralement le développement de nouvelles technologies de génie tissulaire et de biofabrication en combinaison avec des analyses fondamentales en ingénierie, et peuvent revêtir une importance critique dans les applications de génie tissulaire.

Notre objectif ultime est de créer une version miniaturisée complète de la physiologie humaine sous un format microfabriqué. Ce concept d'« humain sur puce » suscite un intérêt et un enthousiasme considérables dans le domaine, car il permettrait un criblage très réaliste de nouvelles thérapies, avant les tests coûteux sur les animaux et les longs essais cliniques chez l'humain. Pour y parvenir, nous explorons les « règles de conception » nécessaires au développement de systèmes complets de découverte biologique dans lesquels plusieurs types cellulaires peuvent être cultivés dans des proportions réalistes, en combinaison avec des techniques analytiques intégrées, afin de fournir une rétroaction en temps réel et à haute résolution sur l'état physiologique.