Influence of substratum energetic nanostructuration on neuronal-model PC12-cell adhesion and differentiation

Influence de la nanostructuration énergétique des substrats dans l'adhésion et la différenciation des cellules neuronales modèles PC12

Guillaume Lamour (1)

1 LNPC - Neuro-Physique Cellulaire

Significant advances have been made in understanding surface adhesion parameters. Several studies recently demonstrated the combined impact of chemical, spatial and mechanical cues of cell culture substrates in controlling cell functions, together with the genetic program of the cell. This study focus on the substratum physical cue that is surface energy, and in particular, on the influence of surface-energy spatial distribution on neuronal cell differentiation. The cell model under consideration is constituted by clonal-line PC12 pheochromocytoma-cells. PC12 cells have the ability to undergo terminal neuronal differentiation, typically when treated with nerve growth factor (NGF). In this study, PC12 cells were seeded on glass surfaces modified by the self-assembly of alkylsiloxanes or of biopolymers such as poly-L-lysine. By changing the structure, ordering and chemical nature of the self-assembled monolayers, the spatial distribution of surface-energy polar and dispersive components is altered. When seeded on well-ordered homogeneous substrates (with CH3, NH2, or OH terminal groups), PC12 cell adhesion is driven by chemical affinity, and only a few cells initiate neurites. Conversely, PC12 cell adhesion is always effective when seeded on highly disordered substrates, whatever couple of chemical groups (CH3/OH or NH2/OH) generates the surface heterogeneities. In addition, high levels of PC12 cell neuritogenesis are observed by less than 48 h of culture, and without NGF treatment. This work demonstrates that surface chemical heterogeneities, that generate nanoscale surface-energy gradients, are critical to biological processes such as nerve regeneration on biomaterials.

Les paramètres de surface contrôlent les fonctions des cellules, en coopération avec leurs codes génétiques. Des études récentes soulignent l'impact combiné des signaux chimiques, topographiques et mécaniques des substrats d'adhésion sur les processus de différenciation. Cette étude se focalise sur le paramètre énergétique, et plus spécialement, sur l'influence exercée par la distribution spatiale des énergies de surface sur la différenciation des cellules neuronales. Le modèle étudié est constitué par les cellules de la lignée PC12, capables de se différencier en neurones suite au traitement par le facteur de croissance nerveux (NGF). Les cellules sont cultivées sur des surfaces de verre modifiées par auto-assemblage de monocouches d'alkylsiloxanes ou de biopolymères. La modification de la nature chimique et du degré d'organisation des monocouches module la distribution des composantes dispersives et polaires de l'énergie de surface, à une échelle inférieure au micron. Sur des substrats très homogènes (dotés de terminaisons CH3, NH2, ou OH), l'adhésion des cellules PC12 est modulée par le degré d'affinité chimique, et peu de cellules initient des neurites. Inversement, sur des substrats localement très hétérogènes, les cellules adhèrent quel que soit le couple chimique produisant les hétérogénéités (NH2/OH ou CH3/OH), et elles génèrent un nombre important de neurites en moins de 48 h, sans traitement au NGF. Ce travail démontre que les hétérogénéités chimiques de surface exercent une influence critique sur les processus de régénérescence des cellules nerveuses, en induisant des gradients dans les énergies d'adhésion aux échelles nanométriques.

Mots clés: AFM; Atomic force microscopy; Axonal growth; Cell adhesion; Cell-to-substratum adhesion; Contact angle; Liquid-solid interface; Nerve growth-factor; Nerve tissue engineering; Neurite outgrowth; Neuritogenesis; Neuronal differentiation; PC12 cells; SAMs; Self-assembled monolayers; SFG; Sum-frequency generation; Surface chemistry; Surface energy; Surface modification

Mots clés: Adhésion cellulaire; Alkylsiloxane; Angle de contact; Cellules PC12; Chimie de surface; Croissance axonale; Différenciation neuronale; Énergie de surface; Facteur de croissance nerveux; Génération de somme de fréquences; Interface liquide-solide; Microscopie à force atomique; Modification de surface; Monocouches auto-assemblées; Neuritogénèse; Silane

Domaines: Biophysique [physics.bio-ph]; Matériaux; Biologie cellulaire

Guillaume Lamour. Influence de la nanostructuration énergétique des substrats dans l'adhésion et la différenciation des cellules neuronales modèles PC12. Biophysique [physics.bio-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00523656⟩