Confinement induced transition between wave-like cellular migration modes

par Vanni Petrolli

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Giovanni Cappello et de Martial Balland.

Soutenue le 06-11-2019

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 Johannes Geiselmann.

Le jury était composé de Eric Bertin, Isabelle Bonnet, Kevin Painter.

Les rapporteurs étaient Sara A. Wickström, Xavier Trepat.

  • Titre traduit

    Transition entre des modes oscillatoires de migration cellulaire induite par le confinement


  • Résumé

    La capacité des cellules à générer spontanément de l'ordre a l’échelle supra cellulaire repose sur l'interaction de signaux mécaniques et biochimiques. Si le consensus général est que la signalisation chimique est le régulateur principal du comportement cellulaire, il est aujourd’hui bien établi que l'impact des facteurs mécaniques est primordial sur des processus fondamentaux de la physiologie cellulaire tel que la différenciation, la prolifération, la motilité et qu’une dérégulation des paramètres mécaniques du microenvironnement des cellules sont impliqués dans un grand nombre de pathologies allant du cancer aux myopathies. Dans ce contexte, plusieurs études ont récemment mis en évidence l'existence d’ondes mécaniques se propageant à l’échelle supra-cellulaire.Nous étudions dans le cadre de cette thèse l'origine de ces ondes de vitesse dans les tissus et discutons leur origine biologique. En pratique, nous confinons des monocouches de cellules épithéliales à des géométries quasi unidimensionnelles, pour forcer l'établissement presque omniprésent d'ondes au niveau tissulaire. En accordant la longueur des tissus, nous découvrons l'existence d'une transition de phase entre les oscillations globales et multi-nodales, et prouvons que dans ce dernier régime, longueur d'onde et période sont indépendantes de la longueur de confinement. Ces résultats démontrent que l’origine de ces oscillations est intrinsèque au système biologique, ce mécanisme apparait comme un candidat pertinent permettant aux cellules de mesurer avec précision des distances au niveau supra-cellulaire et potentiellement de structurer spatialement un tissu. Des simulations numériques basées sur un modèle de type Self-propelled Voronoi reproduisent la transition de phase que nous avons observé expérimentalement et aident à guider nos recherches sur l'origine de ces phénomènes ondulatoires et leur rôle potentiel dans l'apparition spontanée des follicules pileux dans les explants cutanés des souris.


  • Résumé

    The ability of organisms to spontaneously generate order relies on the intricate interplay of mechanical and bio-chemical signals. If the general consensus is that chemical signaling governs the behavior of cells, an increasing amount of evidence points towards the impact of mechanical factors into differentiation, proliferation, motility and cancer progression. In this context, several studies recently highlighted the existence of long-range mechanical excitations (i.e. waves) at the supra-cellular level.Here, we investigate the origins of those velocity waves in tissues and their correlation with the presence of boundaries. Practically, we confine epithelial cell mono-layers to quasi-one dimensional geometries, to force the almost ubiquitous establishment of tissue-level waves. By tuning the length of the tissues, we uncover the existence of a phase transition between global and multi-nodal oscillations, and prove that in the latter regime, wavelength and period are independent of the confinement length. Together, these results demonstrate the intrinsic origin of tissue oscillations, which could provide cells with a mechanism to accurately measure distances at the supra-cellular level and ultimately lead to spatial patterning. Numerical simulations based on a Self-propelled Voronoi model reproduce the phase transition we measured experimentally and help in guiding our preliminary investigations on the origin of these wave-like phenomena, and their potential role for the spontaneous appearance of hair follicles in mouse skin explants.


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