Mechanobiological regulation of placental trophoblast fusion via substrate stiffness and geometric confinement

The syncytiotrophoblast (STB) is a multinucleated single cell that plays a critical role in regulating functions of the placenta during pregnancy. Maintaining the STB layer relies on the ongoing fusion of mononuclear cytotrophoblasts throughout pregnancy, and errors in this process could lead to serious pregnancy complications such as preeclampsia. While various biochemical factors are known to drive fusion, the role of biophysical cues remains undefined. By altering the substrate mechanics using polyacrylamide hydrogel, we first demonstrated that trophoblast fusion is mechanically sensitive and can be directly modulated by endogenous tissue stiffness. Specifically, fusion was significantly enhanced on substrate with stiffness matching healthy in vivo placental mechanics, compared to preeclamptic tissue stiffness. To further investigate the role of endogenous mechanical stress in this fusion process, we micropatterned a model placental cell line in geometrically confined wells and analyzed fusion efficiency and microtissue function. We showed that if cell-generated mechanical stresses are sufficiently high, they suppress cell fusion, and cause hypersecretion of human chorionic gonadotropin (hCG), findings that match clinical observations of preeclamptic disease. Our results demonstrate a previously unknown role of mechanical cues in maintaining and regulating the formation and function of the STB during pregnancy.Le syncytiotrophoblaste (STB) est une cellule multinucléée qui joue un rôle essentiel dans la régulation des fonctions du placenta pendant la grossesse. Le maintien de la couche de STB repose sur la fusion continue des cytotrophoblastes mononuclées tout au long de la grossesse. Des erreurs dans ce processus sont liés à de graves complications de grossesse telles que la prééclampsie. Alors que divers facteurs biochimiques sont connus pour stimuler la fusion, le rôle des modulations biophysiques reste indéfini. En modifiant la densité du substrat extracellulaire (fait avec d'hydrogel de polyacrylamide), nous avons d'abord démontré que la fusion de trophoblastes est mécaniquement sensible et peut être directement modulée par la rigidité tissulaire. Spécifiquement, la fusion était significativement améliorée sur le substrat avec une rigidité correspondant à une densité placentaire saine in vivo, comparée à la rigidité du tissu prééclamptique. Pour étudier plus avant le rôle de la contrainte mécanique endogène dans ce processus de fusion, nous avons ajouté une ligne de cellules placentaires dans des puits géométriquement confinés et analysé l'efficacité de la fusion et la fonction biochimique. Nous avons montré que si les contraintes mécaniques générées par les cellules sont suffisamment élevées, elles suppriment la fusion cellulaire et provoquent une hypersécrétion de gonadotrophine chorionique humaine (hCG), des résultats qui correspondent aux observations cliniques de la maladie pré-éclamptique. Nos résultats indiquent le rôle sous-estimé des signaux mécaniques dans le maintien et la régulation de la formation et la fonction du STB pendant la grossesse