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Page 1: Développement d'un simulateur vasculaire original et d'un modèle lésionnel pour évaluer la réponse des cellules musculaires lisses après angioplastie à ballonnet

Travaux presentes a la Peripheral Vascular SurgicalSociety - Hiver 2007

Developpement d’un simulateur vasculaireoriginal et d’un modele lesionnel pourevaluer la reponse des cellules musculaireslisses apres angioplastie a ballonnet

K. Bethany Acampora,1 Eugene M. Langan III, 2 Richard S. Miller,3

Martine LaBerge,1 Clemson et Greenville, Caroline du Sud, Etats-Unis

Apres angioplastie a ballonnet, la denudation des cellules endotheliales expose les cellulesmusculaires lisses vasculaires (CML) aux forces de cisaillement normalement invisibles duflux sanguin. Les etudes in vivo etudient la reponse aux lesions d’angioplastie, mais peud’etudes ont ete realisees avec des systemes in vitro. Afin d’etudier la reponse des CML invitro, un simulateur de cisaillement et de forces de tension a ete developpe pour fournir desniveaux cliniquement significatifs de forces de contrainte et de cisaillement en plus de lasimulation de forces semblables a celles liees a l’angioplastie a ballonnet. Dans cette etudeaigue (8 hr), des CML aortiques de rat proliferaient de maniere significative apres les forcesde tension accrues liees aux lesions d’angioplastie et l’exposition au cisaillement parcomparaison aux niveaux moindres d’exposition a une tension semblable au niveauphysiologique normal, avec une augmentation moyenne de 75% du nombre de cellules dugroupe lesionnel compare au groupe dynamique normal. Les CML exposees aux lesionsd’angioplastie a ballonnet et aux forces mecaniques de cisaillement et de tension simultaneesavaient une diminution de l’expression du marqueur phenotypique contractile a-actinemusculaire lisse. Ces resultats demontrent l’efficacite du modele developpe pour l’angioplastiein vitro et de l’environnement mecanique simule pour les cellules. Ceci fournit un modele invitro pour isoler les effets des forces mecaniques simultanees et pourrait egalement constituerune etape preliminaire vers une utilisation dans la recherche pharmaceutique pour lareduction ou la prevention de la proliferation des CML due aux forces mecaniques modifieespar les procedures endovasculaires.

DOI of original article: 10.1016/j.avsg.2007.07.013.1Department of Bioengineering, Clemson University, Clemson, SC,

Etats-Unis.2Department of Vascular Surgery, Greenville Hospital System,

Greenville, SC, Etats-Unis.3Department of Mechanical Engineering, Clemson University,

Clemson, SC, Etats-Unis.

Correspondance : Martine LaBerge, Department of Bioengineering,Clemson University, 401 Rhodes Hall, Clemson, SC 29634, USA,E-mail: [email protected]

Ann Vasc Surg 2008; 21: 734-741DOI: 10.1016/j.acvfr.2008.02.002� Annals of Vascular Surgery Inc.Edite par ELSEVIER MASSON SAS

INTRODUCTION

Apres angioplastie a ballonnet, la denudation de la

couche de cellules endotheliales entraıne

l’exposition des cellules musculaires lisses (CML) a

des forces de cisaillement inhabituelles du flux de

sang. La reponse des CML a ces forces mecaniques

inclut l’apoptose, la differentiation, la migration,

l’hypertrophie, et la proliferation. Les lesions

induites par l’angioplastie a ballonnet peuvent etre

la cause du changement des CML d’un phenotype

contractile a un phenotype synthetique.1 On pense

373

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374 Acampora et coll. Annales de chirurgie vasculaire

que la proliferation du muscle lisse (ML) est une

reponse aigue a des lesions et peut se produire

jusqu’au 7eme jour apres une angioplastie a

ballonnet, la plupart des cellules entrant en cycle

de croissance dans les 2 ou 3 jours suivant les

lesions.2 Apres la reponse aigue, le nombre de CML

dans d’intima reste relativement constant jusqu’a

un an apres la procedure endovasculaire. En raison

de la stabilite de la population de CML au cours du

temps, on pense que des augmentations ulterieures

de l’hyperplasia intimale sont dues a la production

de la matrice extracellulaire et du tissu conjonctif

et a l’hypertrophie cellulaire.3 L’epaississement

intimal maximum chez l’homme se produit

habituellement dans les 2 ou 3 mois suivant le

traumatisme.4

Les CML non pathologiques siegent

principalement dans la media des vaisseaux

sanguins et sont d’un phenotype contractile. Apres

l’angioplastie a ballonnet, Les CML de la media

peuvent changer d’un phenotype contractile a un

phenotype synthetique.1 Ces cellules synthetiques

migrent vers l’intima, proliferent et excretent des

composants de la matrice extracellulaire tels que

l’elastine, le collagene, et les proteoglycans.5 La

production de matrice extracellulaire des CML

synthetiques est quatre a cinq fois celle des CML

contractiles. On estime que 50% des CML qui

migrent de la media apres angioplastie a ballonnet

se divisent trois fois.2 Ces cellules representent

huit neuviemes de la population de CML intimales

resultantes.2 Le neuvieme restant de la population

intimale resultante de CML comprend les autres

50% des CML actives par l’angioplastie a ballonnet

qui ont simplement migre vers l’intima sans

multiplication.2 Les CML synthetiques sont

caracterises par un plus grand nombre d’organelles

synthetiques telles que le reticulum

endoplasmique rugueux, une proliferation plus

intense, une diminution de l’a-actine, la perte de

la capacite de contraction, et un volume cellulaire

accru.6 En revanche, les CML contractiles sont

generalement fusiformes, non proliferantes,

capables de se contracter et de contenir

relativement plus d’a-actine que les CML

synthetiques.6 En resume, on pense que le degre

d’activation des CML apres angioplastie affecte les

caracteristiques de migration et de proliferation des

CML et contribue directement au degre

d’epaississement et a l’hyperplasie de l’intima.

Les caracteristiques de l’angioplastie

transluminale percutanee (ATP) ou angioplastie a

ballonnet dependent du stade des lesions

vasculaires, du choix du chirurgien, du diametre

du ballon, de la longueur des lesions, et d’autres

facteurs. L’importance du traumatisme en termes

de pression transmurale exercee sur la paroi

arterielle et sur les cellules dans la paroi vasculaire

peut affecter la reponse cellulaire aux lesions. Des

travaux precedents dans la litterature ont montre

que des lesions importantes sans atteinte de la

media entraınent une replication des CML de la

media sans proliferation intimale.7 Les lesions de

l’angioplastie a ballonnet peuvent causer plusieurs

perturbations dans l’artere dont l’agregation des

plaquettes, la denudation endotheliale, la

production de facteur de croissance a partir des

CML lesees et mortes, l’attraction des leucocytes et

des macrophages due a la reponse inflammatoire,

et une elongation mecanique durable des CML,

qui peuvent tous contribuer a la proliferation des

CML.8

A ce jour, beaucoup d’etudes ont ete concues

pour etudier la reponse in vivo des CML aux

lesions apres angioplastie a ballonnet. En raison de

la difficulte a maintenir simultanement des forces

de cisaillement et des forces de tension pour

evaluer leur effet sur les CML in vitro, peu

d’etudes ont ete realisees a l’aide d’un modele in

vitro. Nous rapportons la premiere utilisation d’un

modele in vitro de reponse des CML aux lesions

mecaniques avec un simulateur de forces de

cisaillement et de forces de tension developpe pour

produire des niveaux medicalement significatifs de

forces de contrainte et de cisaillement

d’applicabilite statistique.

Avec ce modele, les forces mecaniques peuvent

etre isolees des signaux biochimiques et de leur

influence sur la reponse des CML aux lesions.

L’utilisation de ce modele de simulateur permet

l’acquisition de donnees qui peuvent intervenir en

tant qu’etape preliminaire a la manipulation

pharmacologique des CML et la recherche de la

reduction, et par la suite de la prevention, de

l’hypertrophie et de la proliferation des CML apres

les procedures endovasculaires.

MATERIELS ET METHODES

Conception du simulateur

Ce systeme de simulateur se compose de six canaux

independants, permettant l’evaluation de six

populations independantes de cellules avec une

applicabilite statistique accrue et des techniques

d’analyse multiples. Le systeme est compose de

deux appareils, chacun avec trois canaux, comme

montre sur la Figure 1a. Les parametres de

conception ont ete consideres pour simuler des

conditions physiologiques avec des compromis

Page 3: Développement d'un simulateur vasculaire original et d'un modèle lésionnel pour évaluer la réponse des cellules musculaires lisses après angioplastie à ballonnet

Vol. 21, No. 6, 2008 Reponse des CML apres angioplastie a ballonnet 375

Fig. 1. Presentation d’un canal individuel du simulateur

mecanique vasculaire. a Configuration du systeme. b Un

des simulateurs mecaniques vasculaires pendant

l’experimentation. c Vue superieure d’un canal

individuel avec la longueur d’entree et la culture

cellulaire sur silicone. d Vue laterale du point d’entree

montrant la section de coupe du canal.

minimes, avec un ecoulement laminaire, un

ecoulement developpe aux cellules, et des forces

de cisaillement appliquees. Les cellules sont

cultivees sur une membrane flexible de silicone,

qui oscille a 60 cycles/min (1 Hz) pendant le test

mecanique.

Une geometrie de plaque parallele a ete choisie

pour cette application, pour exposer un echantillon

plat de cellules a des forces de cisaillement et de

tension simultanees. La Figure 1 donne une

illustration du simulateur mecanique. La longueur

d’entree du canal permettant d’assurer un

ecoulement completement developpe au niveau

des cellules a ete determinee par le nombre de

Reynolds de 151 resultant d’un ecoulement

volumetrique d’entree (Qin) de 350 mL/mn. Le

nombre de Reynolds (Re) etait determine a partir

de l’equation appliquee a un canal rectangulaire :9

Re ¼rQin

mb

ou b est la largeur du canal (cm), r la densite du

fluide (kg/cm3), et m la viscosite du fluide ([dynes *

sec]/cm2). Le nombre de Reynolds etait egalement

employe pour etablir un flux canalise laminaire.

Ceci etait considere comme un flux d’entree

fortement laminaire puisque le nombre de

Reynolds etait tres inferieur a 2000 pour ce canal

rectangulaire.9 Cette equation suppose que le

fluide se comporte comme un fluide Newtonien

incompressible.

Le parametre minimum de longueur d’entree

pour un profil de vitesse totalement developpe, Le

(cm), etait estime comme suit :10

Le ¼ 0:05Re

La longueur d’entree minimale necessaire

calculee de 7,55 cm etait presque double a 13,95

cm pour assurer un profil de vitesse pleinement

developpe au niveau des cellules, suivant les

indications de la Figure 1d.

Un profil equibiaxial de contrainte etait applique le

long de la membrane de silicone sous vide selon la

technologie mise en oeuvre par Flexcell International

(Hillsborough, OR, Etats-Unis). Le logiciel Flexcell

3000 a ete employe pour controler la contrainte et

pour regler la pression de vide. D’autres ont montre11 que pres des 20% externes des membranes de

silicone situes au-dessus du point statique dans le

systeme Flexcell ne suivent pas des profils de

contraintes radiales et circulaires constants. Puisque

le systeme utilise dans cette etude faisait appel a une

geometrie similaire de colonne statique, les cellules

etaient confinees au centre de la membrane pour

favoriser une contrainte radiale et circulaire

constante au niveau des cellules cultivees pendant le

test mecanique en employant un anneau de Teflon

d’une section interieure de 2,75 cm2 et d’une

hauteur d’environ 1,75 cm centre sur la surface de

silicone au-dessus de la colonne centrale de lexan au

cours de la periode de culture des cellules. Cet

anneau de Teflon etait retire avant le test mecanique

Page 4: Développement d'un simulateur vasculaire original et d'un modèle lésionnel pour évaluer la réponse des cellules musculaires lisses après angioplastie à ballonnet

376 Acampora et coll. Annales de chirurgie vasculaire

et agissait seulement pour retenir les cellules pendant

leur culture.

Culture de cellules

Des cellules musculaires lisses aortiques de rat

(CMLAR, 11-14 passages) obtenues de VEC

Technologies (Rensselaer, NY, Etats-Unis) etaient

maintenues dans du milieu modifie de Dulbecco

Eagle (MDME) (10-013-CV ; Mediatech, Herndon,

VA, Etats-Unis) complete avec 10% de serum

fœtal de veau inactive a la chaleur (FBS, F- 4135;

Sigma-Aldrich, St Louis, MO, Etats-Unis) et 1%

d’antibiotique-antimycotique (A5955, Sigma-

Aldrich, St Louis, MO, Etats-Unis). Les cellules

etaient trypsinisees avec de la trypsine a 0,25%

avec 0,2 mg/mL d’acide ethylene-diamine-

tetracetique (EDTA, E6511 ; Sigma, St Louis, MO,

Etats-Unis).

Ensemencement des cellules pour le test

mecanique

Les membranes de silicone (5,25 cm de diametre) de

chaque test etaient decoupees sur des feuilles de

silicone de grade biomedical (lot SM04106803 ;

Specialty Manufacturing, Saginaw, MI, Etats-unis)

de 0,015 pouce d’epaisseur et 40 durometres.

Celles-ci etaient ultrasoniquees dans de l’eau

demineralisee et assemblees avec les plaques du

systeme experimental. Les plaques assemblees

etaient sterilisees a la vapeur (3870M ; Tuttnauer

Brinkmann, Jerusalem, Israel) a 121�C pendant 30

min puis placees dans l’appareil de simulation sur

environ 0,2 cc de lubrifiant silicone (51360 ;

Loctite, Rocky Hill, CT, Etats-Unis). Le lubrifiant

etait distribue a l’aide d’un tampon de silicone

sterile en exercant une contrainte mecanique de

5% avec le systeme de contrainte FlexerCell

(FlexCell International). Le systeme assemble etait

alors sterilise aux ultraviolets (UV) pendant 3 hr.

Apres sterilisation, les anneaux de Teflon steriles

etaient installes sur la surface de silicone. La zone

centrale du silicone entoure par les anneaux de

Teflon etait enduite de collagene de type I

(Vitrogen 100, 3 mg/mL ; Cohesion Tech, Palo Alta,

CA, Etats-Unis) dilue avec de l’eau sterile a 50,0 mg/

mL et seche pendant 72 hr dans une hotte sterile a

flux laminaire selon le protocole de Cohesion Tech

pour la formation d’un film mince de collagene.

Avant l’ensemencement des cellules, les

membranes etaient rincees avec 1,0 mL de solution

de tampon phosphate de Dulbecco (STPD, 21-031

cm ; Mediatech). Les cellules etaient comptees avec

un hemocytometre et du bleu trypan, ensemencees

a une densite de 7,5 � 104/mL et incubees pendant

48 hr leur permettre de s’etendre et d’adherer.

Un millilitre additionnel de milieu etait ajoute

apres 24 hr.

Groupes des tests de simulation

Deux groupes experimentaux simulant des

conditions in vivo ont ete etudies dans cette etude

en plus d’un groupe controle, dans lequel les

cellules n’etaient pas exposees au cisaillement ou

aux forces de tension. Le groupe du modele

lesionnel (ML) correspondait a des cellules

exposees a des contraintes elevees produites

pendant l’angioplastie a ballonnet entraınant

simultanement des forces de cisaillement et de

tension. Ces cellules etaient les CML directement

exposees au flux sanguin lors de la denudation de

la monocouche endotheliale. Le groupe de tension

cyclique (TC) simulait une situation physiologique

ou les cellules sont cycliquement soumises a une

tension de 0% a 4% sans etre directement

exposees au flux. Des controles statiques non

exposes (U) ont ete employes comme controles

d’adherence et de comportement phenotypique.

Les controles d’adherence (A), qui etaient

determines et comptes avant le test, ont aide a

determiner les problemes d’adherence dus a

l’exposition aux forces mecaniques.

Tests mecaniques

Avant les tests mecaniques, la confluence etait

evaluee par microscopie des controles statiques

non exposes. Le milieu contenant 10% de SFV

etait enleve, et les CMLAR etaient maintenues

dans un milieu stable constitue de MDME sans

adjonction de SFV pour la duree du test

mecanique. Le milieu sans adjonction de SFV est

utilise dans les tests dynamiques pour etudier les

effets des changements de la proliferation. Pendant

les tests mecaniques, les deux groupes

experimentaux dynamiques etaient soumis la

premiere fois a un regime de preconditionnement

par une contrainte cyclique de 0-4% pendant 2

heures avec des frequences graduellement

croissantes de 0,1 (30 min), 0,5 (30 min), et 1,0 (60

min) Hz. Apres ce regime de preconditionnement,

le groupe TC (n ¼ 6) a ete soumis a une contrainte

cyclique de 0-4% pendant 8 hr et le groupe ML

(n ¼ 6) etait soumis a deux etirements circulaires

statiques de 12% maintenus pendant 75 sec

chacun avec un intervalle de 30 sec entre les

etirements comme cela est habituellement le cas au

cours des angioplasties a ballonnet. Apres le

deploiement simule du ballon, un flux de

cisaillement etait repris a 350 mL/min et une

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Vol. 21, No. 6, 2008 Reponse des CML apres angioplastie a ballonnet 377

contrainte cyclique etait appliquee a 0-4% pendant

8 hr. Un debit de 350 mL/min fournissait des forces

de cisaillement parietales faibles (0,25 dynes/cm2)

pour favoriser la proliferation des cellules. Les

echantillons statiques U, qui n’etaient pas soumis a

l’exposition de forces dynamiques servirent de

controles (n ¼ 6) et les controles A (n ¼ 6), qui

etaient determines avant les tests dynamiques, ont

servi a determiner le nombre de cellules perdues

du fait de problemes d’adherence cellulaire.

Evaluation de la reponse cellulaire

Chaque groupe experimental comportait six

echantillons. La proliferation des cellules a ete

evaluee a l’aide d’une methode quantitative

(n ¼ 3) et d’un test qualitatif (n ¼ 3). L’approche

quantitative impliquait la coloration des noyaux

cellulaires avec du 40.6 diamidino-2-phenylindole

(DAPI, D-1306 ; Molecular Probes, Eugene, OR,

Etats-Unis). Pour cette methode, les cellules etaient

rincees avec une STPD apres le test mecanique,

fixees avec de l’ethanol a 100% pendant 30 min, et

rincees a nouveau avec une STPD. Les echantillons

etaient recouverts avec 0,5 ml d’une solution de

DAPI pendant 10 min et rinces avec une STPD. Les

echantillons etaient examines en microscopie a

fluorescence (Diaphot 300 ; Nikon, Melville, NY,

Etats-Unis) en 10 endroits distribues sur tout

l’echantillon. Le logiciel d’analyse ImagePro Plus

(version 5.1 ; Media Cybernetics, Silver Spring,

MD) a ete employe pour mesurer le nombre de

cellules presentes.

L’analyse qualitative a utilise le Cell Titer 96

AQueous ONE Solution Cell Proliferation Assay

(sel interne (4,5-dimethylthiazol-2-yl) - 5

(3-carboxymethoxyphenyl) - 2 (4-sulfophenyl) -

2H-tetrazolium [MTS], G-3580 ; Promega,

Madison, WI, Etats-Unis), dans lequel 1,25 mL

etaient ajoutes a chaque puis et incube pendant 3

hr. Le surnageant etait collecte individuellement,

distribue dans des alveoles, et vortexe doucement

pour favoriser une repartition harmonieuse des

echantillons. Quatre echantillons de 125 mL

provenant de chaque surnageant etaient places

dans une plaque de spectrophotometrie Cell Titer

96 AQueous ONE Solution Cell Proliferation Assay a

96 puits. La densite optique etait determinee a 490

nm (modele DU� 640B ; Beckman Instruments,

Fullerton, CA, Etats-Unis).

Marqueur phenotypique

La a-actine du ML a ete evaluee comme marqueur

phenotypique cellulaire6 dans des extraits de

cellules a l’aide de techniques Western blot

standard. L’expression de la glyceraldehyde-

3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) a ete

egalement evaluee et employee comme

normalisation et controle de la charge proteique. Les

cellules etaient retirees de la membrane de silicone

et lysees a l’aide d’un tampon d’extraction se

composant de 0,5% de Triton X-100 (T-9284,

Sigma-Aldrich), de sodium dodecyl sulfate a 1%

(SDS, L-4522, Sigma-Aldrich), de Tris20 mM (161-

0716, Bio Rad, Hercules, CA, Etats-Unis), et de 10

mL/mL de cocktail inhibiteur des proteases (P8340,

Sigma-Aldrich). Le kit d’analyse proteique de BCA

(23225 ; Pierce, Rockford, IL, Etats-Unis) ont ete

alors employes pour determiner la teneur en

proteines totales de chaque echantillon. Ces

echantillons etaient dilues a 1 mg/mL a l’aide d’un

tampon temoin compose de b-mercaptoethanol, de

Tris-HCL 0,5 M, de SDS a 10%, de 0.5% de bleu de

bromophenol, de glycerol, et d’eau distillee. Chaque

echantillon etait normalise a 10 mg/mL. Avant

l’electrophorese sur gel, les echantillons etaient

portes a ebullition pendant 5 min pour lineariser les

proteines. Un gel de polyacrylamide a 10% (161-

0158, Bio Rad) etait employe dans l’electrophorese

avec une solution de cellules de 17,5 mL chargee en

ligne. L’analyse Western blot etait executee a l’aide

d’un transfert sur membrane de difluoride (PVDF)

de polyvinylidene (162-0184, Bio Rad). Le kit

WesternBreeze� chromogenic Western Blot

Immunodetection (WB7103 ; Invitrogen, Carlsbad,

CA, Etats-Unis) etait employe pour doser l’a-actine

et l’expression de GAPDH. Le WesternBreeze

Chromogenic Immunodetection Protocol etait suivi

avec des anticorps monoclonaux primaires de souris

specifiques de l’a-actine ML (ab18460-1 ; Abcam,

Cambridge, MA, Etats-Unis) a la dilution de 1:1000

et avec d’anticorps primaire monoclonal anti-

GAPDH de souris (6C5) (CB1001 ; Calbiochem, San

Diego, CA, Etats-Unis) a la dilution de 1:1500. La

densitometrie etait executee sur les Western blots

developpes pour evaluer les differences d’expression

de l’a-actine ML entre les groupes U (n ¼ 3), CT

(n ¼ 3), et ML (n ¼ 6). La densite optique integree

(DOI) des bandes etait determinee a l’aide d’un

densitometre d’imagerie (GS-700, Bio Rad) couple

au logiciel d’analyse Quantity One (version 4.1.1,

170-9600 ; Bio Rad). Les rapports de l’a-actine ML a

GAPDH ont ete evalues pour normaliser les

donnees, et ces valeurs ont ete employees dans

l’analyse statistique.

Analyse statistique

Une analyse statistique de la variance appariee avec

l’analyse de Tukey a ete executee a l’aide de

Page 6: Développement d'un simulateur vasculaire original et d'un modèle lésionnel pour évaluer la réponse des cellules musculaires lisses après angioplastie à ballonnet

378 Acampora et coll. Annales de chirurgie vasculaire

SigmaStat (Systat Software, San Jose, CA, Etats-

Unis) pour examiner les donnees sur la

proliferation des cellules et l’a-actine ML, avec p <0,05 indiquant une difference significative.

RESULTATS

Proliferation

Les etudes aigues (8 hr) utilisant CMLAR ont

montre une proliferation de cellules apres lesions

d’angioplastie et exposition au cisaillement

(groupe ML) par comparaison a l’exposition de

tension cyclique « physiologique » (groupe CT).

L’analyse DAPI a montre une augmentation de

75% du nombre de cellules du groupe ML compare

au groupe CT ( p ¼0,001). Les moyennes du

nombre de cellules du decompte de cellules DAPI

etait de 3,45 � 104 (deviation standard ± 1,7 � 103

[DS]) cellules/mL pour le groupe CT, 6,07 x 104

(DS ± 5,0 � 103) cellules/mL pour le groupe ML,

10,0 � 104 (DS ± 15,8 � 103) cellules/mL pour les

moyennes combinees du groupe statique U, et

8,2 � 104 (DS ± 16,1 � 103) cellules/mL pour le

groupe A, suivant les indications de la Figure 2a.

Suivant les indications de la figure 2b, les resultats

MTS allaient dans le sens des resultats de DAPI,

avec des niveaux d’absorbance resultante moyenne

a 490 nanometre de 0,062 (DS ± 0,028) pour CT,

de 0,153 (DS ± 0,04) pour ML, et 0,345 (DS ±

0,034) pour les groupes U.

Western Blot

L’analyse Western blot a ete executee pour detecter

les niveaux du marqueur phenotypique de l’a-

actine contractile du ML. Des niveaux diminues de

l’expression de l’a-actine ML indiqueraient un

phenotype plus synthetique des CML. Les

echantillons statiques non charges (U1-U6)

exprimaient une a-actine ML IOD normalisee du

ML de 1,038 (DS ± 0,103). La simulation de

fonction normale dans le groupe CT (CT1-CT3)

a demontre une augmentation de 12% de l’ a eactine ML, avec des niveaux d’IOD de 1,162 (DS ±

0,098) ; cependant, ces resultats n’etaient pas

significativement differents. Des differences

significatives etaient observees avec le modele de

lesions d’angioplastie a ballonnet (ML1-IM3), avec

une expression normalisee diminuee de l’a-actine

ML a un niveau IOD de 0,841 (DS ± 0,046) ( p ¼0,006) et une diminution de 19% de l’expression

de l’a-actine ML en comparant les echantillons IM

aux echantillons statiques U.

DISCUSSION

Les effets des differentes forces mecaniques sur le

comportement des CML dans une situation in

vitro ont ete bien documentes par d’autres.

Cependant, le modele presente a ete developpe

avec la possibilite de representer plus exactement

les forces mecaniques simultanees dues a la

reponse lesionnelle additionnelle liee au

deploiement du ballon d’angioplastie surajoutee a

la reaction des CML aux forces de cisaillement

parietales faibles qui stimulent la proliferation des

CML.

Un but du modele lesionnel etait de simuler les

forces accrues de deploiement du ballon sur les

cellules par rapport aux niveaux normaux dus a

l’expansion du vaisseau sanguin liee au flux

sanguin. Pendant l’angioplastie a ballonnet, des

forces de deploiement elevees de 5-10

atmospheres peuvent affecter negativement les

CML voisines. Souvent, la procedure

d’angioplastie a ballonnet est decrite comme la

compression de la plaque arterielle dans le

vaisseau sanguin pour reconstituer un diametre

luminal nominal. Cependant, la rigidite plus

importante de la plaque dans les parois vasculaires

comparee a celle des tissus environnants entraıne

un plus grand transfert des forces de deploiement

aux tissus environnants et aux CML.8 Une

exposition des CML a une force dynamique de

tension physiologique de 0-4% pour des arteres

moins elastiques a 1 Hz ressemblait aux forces de

tension normales auxquelles les CML sont

soumises in vivo.

Le passage des CML d’un phenotype contractile

a un phenotype plus synthetique a un role

significatif dans l’hyperplasie intimale apres les

procedures endovasculaires. In vivo, les CML

normales siegent principalement dans la media

du vaisseau sanguin et sont d’un phenotype

contractile. Apres angioplastie a ballonnet, les

CML mediales peuvent changer d’un phenotype

contractile a un phenotype synthetique.1 Ces

changements cellulaires entraıne la perte de la

capacite cellulaire a se contracter, la secretion

accrue de proteines, et une reaction accrue aux

facteurs de croissance autocrines et paracrines.12-

14 Les CML contractiles contiennent relativement

plus d’a-actine de ML que les CML synthetiques,

raison pour laquelle ce marqueur a ete choisi

dans cette etude.6 Mecaniquement, la rigidite des

CML contractiles est plus elevee que celle des

CML synthetiques, ce qui est considere comme

la consequence d’une plus grande quantite

d’actine dans la cellule.15

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Vol. 21, No. 6, 2008 Reponse des CML apres angioplastie a ballonnet 379

Fig. 2. Comparaison de la proliferation des cellules entre

les groupes tests de tension cyclique (TC), de lesion (ML),

U non charge, et d’adherence (A) (pour DAPI

seulement). a La quantification des cellules par DAPI

montrait une difference significative, ML et U etant

differents de tous les autres groupes (*p ¼ 0,001).

b Comparaison MTS de la proliferation des cellules,

confirmant une difference significative entre les

groupes experimentaux (*p < 0,001).

Les lignees cellulaires in vitro sont

generalement caracterisees comme de phenotype

synthetique. Une fois en culture statique, les

CML vasculaires contractiles tendent a changer

leur phenotype en un etat synthetique. Des

niveaux plus eleves des forces de tension

appliquees (>10%) ont ete montres pour ayant

comme consequence une proliferation accrue des

CML16,17 en plus de l’expression diminuee de

marqueurs tels que le l’a-actine ML.17 En

examinant les resultats de cette etude, les CML

statiques non chargees, normales en culture in

vitro, ont servi de ligne de base pour l’expression

de l’a-actine ML. Meme a un intervalle court de

8 hr apres les lesions, un bas niveau des forces

de tension semblable a celui des forces in vivo

avait comme consequence un plus haut niveau

d’expression de l’a-actine ML, comme indique

sur la Figure 3. Bien que non significatif, ceci

suggere que l’application d’un bas niveau de

forces de tension pourrait stimuler la

differentiation vers un phenotype plus contractile

au cours du temps. Une evaluation d’intervalles

de temps accrus serait necessaire pour explorer

cette hypothese. La diminution significative de

l’expression de l’a-actine ML representee sur la

Figure 3 apres un temps precoce d’exposition au

cisaillement et aux forces de tension apres

angioplastie a ballonnet in vitro de 8 hr donne

une vue pertinente du changement precoce de

phenotype du aux forces mecaniques appliquees.

Les resultats de proliferation indiques sur la

Figure 2 soutenaient le concept d’un changement

phenotypique precoce. Comparant les groupes

dynamiques CT et IM, les resultats de DAPI

montraient une augmentation sensiblement

differente de 75% du nombre de cellules presentes

dans le groupe IM compare au groupe CT simulant

la fonction arterielle normale, indiquant que les

lesions et l’exposition simultanee au cisaillement

et aux forces de tension avaient comme

consequence la plus grande proliferation du

modele lesionnel. Comme l’adherence des cellules

est une preoccupation des experiences

dynamiques dans les deux groupes CT et IM, une

comparaison directe de la proliferation des deux

groupes avec le groupe statique est non pertinente.

Ceci etait conforte par les donnees du groupe A

indiquant une perte significative de cellules due a

l’exposition dynamique. Pour cette raison, le

groupe statique U n’a pas ete inclus dans cette

comparaison.

L’application de la force de cisaillement aux CML

peut avoir divers effets sur la reponse des cellules.

Les variations du flux peuvent appeler differentes

reponses de meme que l’importance du taux de

cisaillement. Les etudes de cisaillement

demontrent l’inhibition de la proliferation in vitro

des CML avec des niveaux eleves de forces de

cisaillement.18 Generalement des niveaux de

forces de cisaillement superieurs a 10 dynes/cm2

sont consideres eleves et atheroprotecteurs.19 En

revanche, des forces de cisaillement basses (<10

dynes/cm2) favorisent une reponse atherogene et

une proliferation accrue de CML.19 Les

changements de la geometrie arterielle peuvent

avoir comme consequence des separations de flux,

une stagnation, et une recirculation. Ces

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380 Acampora et coll. Annales de chirurgie vasculaire

perturbations du profil de vitesse peuvent avoir

comme consequence des zones de faibles forces de

cisaillement parietales, favorisant la proliferation

des CML.

L’application d’une force de tension aux cellules

est habituellement circulaire, uniaxiale, ou

biaxiale. La direction est habituellement ajustee

sur l’application. Les cellules vasculaires sont

cycliquement deformees par la dilatation et la

relaxation du vaisseau sanguin, habituellement

represente par un test circulaire ou uniaxial. La

reponse cyclique des cellules vasculaires a la

contrainte est importante pour les fonctions

cellulaires normales et anormales. Elle peut

affecter la proliferation des cellules, la migration,

l’apoptose, la morphologie, et l’alignement.20

La differentiation des cellules est un point

important du developpement et des tests in vitro.

Une fois transferees dans une culture statique, les

CML vasculaires contractiles tendent a evoluer

vers un phenotype synthetique. La tension

cyclique augmente l’expression de certains

Fig. 3. Resultats Western blot pour l’a-actine ML pour

les groupes de tension cyclique (TC), lesionnel (ML), et

U non charge. a Image densitometrique de l’a-actine

ML employee pour evaluer la densite optique integree

pour comparer l’expression. b Image densitometrique

de GAPDH agissant en tant que controle de la charge

proteique. c Normalisation de l’expression de l’a-actine

ML avec le controle de charge GAPDH, montrant une

difference significative de l’expression de l’a-actine ML

dans le modele lesionnel (*p ¼ 0,006).

marqueurs de l’etat differencie des CML. Dans une

etude par Birukov et collaborateurs,16 outre la

stimulation de h-caldesmon, une proliferation

accrue a ete observee, indiquant un comportement

synthetique contradictoire, mais le niveau de

contrainte des cellules etait plus eleve que les

contraintes physiologiques (15%), ce qui pouvait

affecter le comportement de proliferation des

cellules. Butcher et collaborateurs17 ont montre

une variation de phenotype dans une structure

tridimensionnelle de collagene de CMLAR soumise

a des forces de tension correspondant a une

contrainte de 10% a 1 Hz pendant 48 hr a l’aide

d’une platine multiaxiale de contrainte. Les

resultats du groupe teste montraient une

augmentation de la viabilite des cellules,

une diminution de l’elongation morphologique,

une diminution de l’expression de l’a-actine et de

la calponine, et une expression accrue de la

vimentine par comparaison avec le controle

statique. Ces resultats suggerent une evolution

d’un phenotype contractile vers un phenotype

plus synthetique.

Il y a differents systemes in vitro disponibles

pour etudier les effets des forces mecaniques

appliquees. Par exemple, les forces de

cisaillement sont generalement provoquees par

un fluide a l’aide d’une chambre de flux

parallele plate basee sur des differences de

pression ou par un cone sur un dispositif plat

rotationnel. Les tests de tension in vitro utilisent

des dispositifs qui appliquent des forces de

tension unidirectionnelles, bidirectionnelles, et

radiales/circulaires. L’avantage du systeme de

cette etude est l’effet combinatoire de

l’application de forces par l’utilisation simultanee

de l’application d’une tension radiale/circulaire et

d’un cisaillement parallele a plat.

Bien que le systeme developpe soit un modele in

vitro ameliore, il y a des limitations de cette etude

qui seront prises en compte dans d’autres etudes.

Comme precedemment indique, l’application de

forces mecaniques peut causer une serie de

reponses telles que l’apoptose, la migration,

l’hypertrophie, la differentiation, et la

proliferation. D’autres analyses cellulaires

etudieront les reponses possibles d’apoptose, de

proliferation, et d’hypertrophie des cellules. En

plus, comme discute precedemment, il y a d’autres

marqueurs phenotypiques qui indiquent le

comportement synthetique ou contractile.

L’evaluation d’autres marqueurs que l’a-actine ML

aidera a une meilleure caracterisation des effets sur

la differentiation des forces mecaniques appliquees

sur les CML vasculaires.

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CONCLUSION

Cette etude presente un modele in vitro pour simuler

in vitro une angioplastie a ballonnet suivie de forces

tensiles et de cisaillement appliquees sur les CML.

Les resultats de cette etude montrent l’efficacite du

modele developpe pour l’angioplastie in vitro et

l’environnement mecanique simule des cellules.

En outre, la reponse significative a court terme

suggere l’evaluation ulterieure de forces accrues et

d’intervalles de temps plus longs par rapport a une

reponse accrue des SMC.

La signification clinique de ce modele in vitro de

proliferation cellulaire est la capacite d’imiter des

forces mecaniques cliniquement pertinentes et

d’appliquer un regime applique plus complexe

pour simuler l’intervention clinique combinee a

une exposition normale. En etant optimiste, ce

modele pourrait etre mis en oeuvre pour dans les

recherches pharmaceutiques initiales pour evaluer

les agents antiproliferatifs potentiels pour les CML

afin d’essayer d’empecher l’hyperplasie et la

restenose apres intervention endovasculaire.

Les auteurs remercient Cassie Gregory, Rebecca

Cribb,et le Dr. Agneta Simionescu pour l’aide

apportee a ce travail et le Greenville Hospital

System pour le financement de ce travail.

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