Characterization of cell mechanics with atomic force microscopy : Mechanical mapping and high-speed microrheology

par Annafrancesca Rigato

Thèse de doctorat en Biochimie structurale

Sous la direction de Simon Scheuring.

Le président du jury était Pierre-Emmanuel Milhiet.

Le jury était composé de Felix Rico.

Les rapporteurs étaient Tilman Schaeffer.

  • Titre traduit

    Charactérisation de la mécanique cellulaire par microscopie à force atomique : cartographie d'élasticité et microrhéologie à grande vitesse


  • Résumé

    La mécanique cellulaire a gagné un intérêt croissant en raison de son implication fondamentale dans des nombreux processus cellulaires, notamment la migration, la division, la différentiation et l’apoptose. Entre autres techniques, la microscopie à force atomique (AFM) s’est avérée particulièrement utile pour la caractérisation mécanique des cellules vivantes. Dans cette thèse, deux aspects différents ont été étudiés par AFM. Dans un premier temps, l’élasticité des cellules épithéliales étalées sur des micropatterns adhésifs a été cartographiée. Cette étude montre que l’élasticité d’une cellule varie en fonction de sa géométrie d’adhésion à la fois au niveau global et subcellulaire. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la caractérisation de la réponse viscoélastique d’une cellule à un stimulus mécanique oscillatoire à haute fréquence. Des études précédentes montrent que la réponse des cellules est dominée par un stress élastique et suive une loi de puissance faible à basse fréquence. Une réponse cellulaire essentiellement visqueuse est attendue à haute fréquence, mais jusqu’à présent les limitations techniques ont empêché l’évaluation de cette propriété. Dans ma thèse, ces limitations ont été dépassées grâce à la modification d’un AFM à grande vitesse (HS-AFM). Des mesures de rhéologie active sur fibroblastes ont été réalisées entre 1Hz et 120 kHz, permettant d’étendre de deux ordres de grandeur l’échelle de fréquences explorée. Ce travail montre une réponse cellulaire aux stimulations à haute fréquence plus visqueuse qu’à basse fréquence, mais suggèrent aussi une réponse bien plus complexe qu’attendue.


  • Résumé

    The field of cell mechanics gained a growing interest because of its fundamental implication in several cellular processes, such as migration, division, differentiation and apoptosis. Among other techniques, atomic force microscopy (AFM) demonstrated particularly useful for the mechanical characterization of living cells. In this thesis, two different aspects were investigated by AFM. In the first part, the elastic properties of epithelial cells grown on adhesive micropatterns were mapped. This study shows that the elasticity of a cell varies as a function of the geometry of its adhesive environment on both global and subcellular scales. The second part of this thesis focuses on the characterization of the viscoelastic response of a cell subjected to an oscillatory mechanical stimulus at high frequency. Previous studies show that the response of cells to such stimuli is mainly dominated by elastic stress and follows a weak power law at low frequency. Instead, a predominantly viscous behavior is expected at high frequency. Up to now, technical limitations prevented the experimental validation of this property. In this thesis, these limitations were overcome thanks to the modification of a high-speed AFM (HS-AFM). With this setup, active rheological measurements of living fibroblasts could be performed from 1 Hz to 120 kHz, extending of two orders of magnitude the frequency scale explored until now. This work highlights a response of cells to high-frequency stimuli which is more viscous than at low frequency, but also suggests a more complex response than expected.


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  • Détails : 1 vol. (166p.)
  • Annexes : bibliogr. p. 117-122

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