Migration de cellules cancéreuses dans des gels de collagène 3D

par Laure Laforgue

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Valérie Laurent, Alain Duperray et de Claude Verdier.

Soutenue le 16-12-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Atef Asnacios.

Le jury était composé de Irina Mihalcescu.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Allain, Catherine Coirault.


  • Résumé

    Au cours du développement du cancer, la migration des cellules cancéreuse en 3D joue un rôle essentiel dans le processus de dissémination des métastases. L’étude de la migration cellulaire dans des matrices 3D ainsi que les conséquences induites sur cette matrice sont actuellement étudiées par plusieurs équipes de recherche. Notamment, la réorganisation de la matrice extracellulaire et plus précisément les déplacements des fibres de la matrice induits par les forces que la cellule exerce sont des études en plein essor. Nous avons étudié comment les cellules cancéreuses migrent dans des gels 3D en utilisant du collagène et de la fibronectine pour mimer la matrice extracellulaire des tissus. Nous avons utilisé un microscope confocal afin de visualiser le cytosquelette d’actine des cellules en fluorescence et les fibres de collagène en réflexion. Dans ce travail,nous avons utilisé différentes concentrations de collagène et des lignées cellulaires d’invasivités différentes. A partir des films 3D obtenus en microscopie, nous avons déterminé la vitesse et la persistance des cellules cancéreuses en fonction de leur invasivité et de la concentration de collagène. La vitesse augmente avec l’invasivité cellulaire et diminue avec l’augmentation de la concentration en collagène. La persistance ne dépend que de la concentration en collagène et décroit avec celle-ci. Nous avons également calculé les champs de déplacement des fibres de collagène à l’aide d’un programme de corrélation de volume. Nous avons pu étudier ces champs de déplacement en fonction du type de migration de la cellule, de l’invasivité cellulaire et de la concentration en collagène des gels. Nous avons montré que les normes de vecteurs de déplacement augmentent avec l’invasivité cellulaire et diminuent avec l’augmentation de concentration en collagène. Enfin, ces champs de déplacement nous ont permis de déterminer les étapes des migrations mésenchymateuse et amiboïde en 3D. Nous avons découvert 5 étapes pour la migration mésenchymateuse correspondant au repos de la cellule, à la création d’une extension membranaire, à l’adhésion de la cellule aux fibres, au détachement de l’arrière du corps cellulaire afin de permettre à la cellule de migrer et à la dissolution de l’adhésion cellule/fibre. 4 étapes ont été déterminées pour la migration amiboïde et correspondent au repos de la cellule, à la création d’une extension membranaire, au déplacement de la cellule en poussant sur son environnement et à la rotation de la cellule. Ces étapes associées à des champs de déplacement sont en accord avec la littérature et nous avons pu mettre en évidence de nouvelles étapes comme la rotation de la cellule dans la migration amiboïde.Ces résultats permettent de mieux comprendre comment se déroule la migration des cellules cancéreuses dans une matrice extracellulaire.

  • Titre traduit

    Cancer cells migration in 3D collagen gels


  • Résumé

    3D migration of cancer cells plays an essential role in the dissemination of cells during metastasisin cancer. The behavior of cancer cells migrating in a 3D extracellular matrix and its consequences on themicroenvironment are still currently under investigation. The study of the reorganization of the extracellular matrixfibers and more precisely how the fibers move due to the forces that the cell exerts just start to be investigating.We studied how cancer cells migrate in 3D gels using collagen and fibronectin to mimic the extracellularmatrix. We used confocal microscopy to image the actin cytoskeleton of cells in fluorescence and fibers in reflectionover time. In our studies, we used different collagen concentrations and cell lines with different invasivities. Fromthese 3D movies, we determined cancer cell velocities and persistence as a function of collagen gel concentration aswell as cell invasiveness. The cells velocities increase with invasiveness and decrease with collagen concentration.As for persistence, it decreases with collagen concentration but it do not change with cells invasiveness. We alsocalculated the displacement field of the collagen using a volume correlation program. Using this information, westudied the fibers displacement induced by the cell depending on its migration type, its invasivity and the collagenconcentration. We showed norms of fibers deplacement vectors increase with cell invasiveness and decrease withcollagen concentration. Finally, the displacement fields enabled us to determine the migration steps of mesenchymaland amiboid migrations. We discovered 5 steps in mesenchymal migration : cell rest, creation of extension, adhesionof the cell to the fibers, detachment of the cell rear and dissolution of cell/fibers adhesions. 4 steps have beencharacterized in amiboid migration : cell rest, creation of extension, displacement of the cell by pushing on fibersand rotation of the cell. These steps associated with displacement fields are in agreement with litterature and wehighlighted new steps as the rotation of the cell in amiboid migration.Taken together these results enable us to better understand how the migration of cancer cells takes place in a3D matrix.


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