Cell Mechanics : Mechanical Properties and Membrane Rupture Criteria

par Lionel Guillou

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdul I. Barakat.

Soutenue le 14-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX (laboratoire) .

Le président du jury était Claire Hivroz.

Le jury était composé de Abdul I. Barakat, Atef Asnacios, Julien Husson.

Les rapporteurs étaient Christian Wagner, Martin Lenz.

  • Titre traduit

    Mecanique Cellulaire : Proprietes Mecaniques et Criteres de Rupture de Membrane


  • Résumé

    L’athérosclérose est une maladie artérielle chronique qui est une des causes majeures d’accidents vasculaires cérébraux et de crises cardiaques. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre certains facteurs spécifiques impliqués dans le dévelopement de cette maladie en abordant cette problématique sous l’angle de la mécanique.Deux types de cellules qui jouent un rôle important dans le dévelopement et la progression de l’athérosclérose sont les cellules endothéliales adhérentes et les leucocytes non-adhérents (les globules blancs). Nous avons développé deux systèmes capables de mesurer les propriétés mécaniques de ces deux grands types cellulaires. Le premier, appelé “indentation de profil”, utilise des micropipettes et des microindenteurs pour indenter la cellule, tandis que le second utilise la microfluidique pour soumettre les cellules à une contrainte d’élongation.De plus, nous nous sommes demandé si la mécanique pouvait nous aider à comprendre quand les déformations des cellules, ou les contraintes exercées sur elles, pouvaient les endommager.En effet, lorsque les plaques d’athérosclérose obstruent une partie trop grande du flux sanguin, le traitement le plus courant consiste à rouvrir le vaisseau avec un ballon et à le maintenir ouvert au moyen d’une endoprothèse artérielle, qui est un petit dispositif maillé et tubulaire. Cette procédure exerce des contraintes de compression considérables sur l’endothélium et l’endommage. Nous avons donc cherché à trouver un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des cellules endothéliales en compression, puis avons comparé cela aux contraintes exercées sur l’endothélium durant la pose d’une endoprothèse artérielle, afin de voir si les dommages faits à l’endothélium pouvaient potentiellement être évités.De façon similaire, nous avons cherché à obtenir un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des leucocytes. Nous avons ensuite comparé les déformations maximales possibles des leucocytes selon que ces déformations soient passives (comme lors du passage dans la microvasculature) ou actives (comme lors de la traversée de l’endothélium par les leucocytes).


  • Résumé

    Atherosclerosis is a chronic disease of the arteries that is a major cause of heart attacks and strokes. This thesis aims to provide novel insight into this disease by looking at specific factors involved in its development from a mechanical standpoint.Two important cell types involved in the development and progression of atherosclerosis are adherent endothelial cells and non-adherent leukocytes (white blood cells). We developed two devices that are able to measure the mechanical properties of both of these cell types. The first one, termed “profile microindentation”, uses micropipettes and microindenters to indent the cell, while the second one uses microfluidics to submit cells to an extensional stress.Further, we wondered if mechanics could help us understand when deformations undergone by cells, or stresses exerted on them, could become harmful.As a matter of fact, when atherosclerotic plaques occlude too much of the blood flow, the most common treatment consists of reopening the vessel with a balloon and keeping it open with a tubular wired mesh called a stent. This procedure exerts considerable compressive stress on the endothelium and is known to be associated with extensive endothelial damage. Hence, we seek to find a physical criterion that is predictive of endothelial cell membrane rupture under compression and to compare this to the stress exerted on the endothelium during the stenting procedure, to see if endothelial damage could potentially be avoided.Similarly, we seek to obtain a physical criterion that is predictive of leukocyte membrane rupture. We then compare and contrast the maximum possible deformations of leukocytes depending on whether those deformations are passive (such as when going through the microvasculature) or active (such as when leukocytes traverse the endothelial barrier).


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