Role of the mitochondria-microtubule relationship in axon fate after trauma in a microfluidic device
Rôle de la relation mitochondries-microtubules dans le devenir des axones après un trauma dans un dispositif microfluidique
Résumé
A traumatic injury to the central nervous system (CNS) induces cellular and molecular mechanisms leading to irreversible dysfunctions. In addition to a post-injury environment that is not conducive to axonal regeneration, mechanical stress also makes CNS neurons vulnerable, resulting in significant alterations to the microtubule (MT) network and mitochondrial damage. At the molecular level, axonal degeneration is associated with energy loss, cytoskeleton destabilization, and ultimately axonal degradation. Simultaneously, the repositioning of mitochondria associated with the microtubule network stimulates axon growth and branching by remedying energy deficits. Thus, mitochondria and MTs are essential in determining the fate of the axon. However, the precise mechanisms underlying the connection between mitochondria and microtubules in post-injury axons are not yet well understood. The project's objective is to study the molecular and cellular mechanisms responsible for axonal degeneration and regeneration, particularly the role of the cytoskeleton and its interaction with the mitochondrial response to mechanical injury. We focus on the influence of post-translational modifications of MTs in the positioning of mitochondria and the impact on the axonal response. The originality of this approach is to determine the influence of connectivity on the fate of neurons, using oriented networks of cortical neurons connected to spinal cord neurons, employing microfluidic cell culture devices. For this, we developed a simple in vitro model to inflict mechanical trauma to decipher the processes of axonal regrowth, by evaluating the dynamics of microtubules and mitochondria. We are particularly interested in the corticospinal tract, which connects to spinal cord neurons. Corticospinal neurons are known for their low capacity for axonal regeneration after spinal cord injury. We demonstrate the in vitro development of an oriented corticospinal network with evidence of functional connectivity within microfluidic chips. This device allows the application of a mechanical lesion, followed by axonal regeneration. Using a pharmacological approach to modulate the state of the microtubules, mitochondrial dynamics are analyzed, and thus the fate of the axon after injury. We demonstrate how the impact of the MT network can influence mitochondrial dynamics to enhance axonal regeneration.
Une lésion traumatique du système nerveux central (SNC) induit des mécanismes cellulaires et moléculaires conduisant à des dysfonctionnements irréversibles. Outre un environnement post-lésionnel non propice à la régénération axonale, le stress mécanique rend également les neurones du SNC vulnérables, ce qui se traduit par une forte altération du réseau de microtubules (MT) et des dommages mitochondriaux. Au niveau moléculaire, la dégénérescence axonale est associée à une perte d'énergie, à une déstabilisation du cytosquelette et finalement à la dégradation de l'axone. En parallèle, le repositionnement des mitochondries associé au réseau de microtubules stimule la croissance et la ramification de l'axone en remédiant aux déficits énergétiques. Ainsi, les mitochondries et les MT sont essentiels pour déterminer le destin de l'axone. Cependant, les mécanismes précis qui sous-tendent la connexion entre les mitochondries et les microtubules dans les axones post-lésionnels n'est pas encore bien élucidé. L'objectif du projet est d'étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la dégénérescence et de la régénération des axones, et plus particulièrement le rôle du cytosquelette et son interaction avec la réponse des mitochondries à une blessure mécanique. Nous nous concentrons sur l'influence des modifications post-traductionnelles des MT dans le positionnement des mitochondries et l'impact sur la réponse axonale. L'originalité de cette approche est de déterminer l'influence de la connectivité sur le devenir des neurones, en utilisant des réseaux orientés de neurones corticaux connectés aux neurones de la moelle épinière, en utilisant des dispositifs microfluidiques de culture cellulaire. Pour cela nous avons développé un modèle in vitro simple pour effectuer un traumatisme mécanique afin de déchiffrer les processus de repousse axonale, par l'évaluation de la dynamique des microtubules et des mitochondries. Nous nous sommes particulièrement intéressés au tractus corticospinal qui se connecte aux neurones de la moelle épinière. Les neurones corticospinaux sont connus pour leur faible capacité de régénération des axones après une lésion de la moelle épinière. Nous montrons le développement in vitro d'un réseau cortico-spinal orienté avec des preuves de connectivité fonctionnelle, à l'intérieur de puces microfluidiques. Ce dispositif permet l'application d'une lésion mécanique, suivie d'une régénération axonale. En utilisant une approche pharmacologique pour moduler l'état des microtubules, la dynamique des mitochondries est analysée, et ainsi le devenir de l'axone après la lésion. Nous démontrons comment l'impact du réseau de MT peut influencer la dynamique des mitochondries pour augmenter la régénération axonale.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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