Nématiques cellulaires actifs confinés et soumis à un champ d’orientation. Applications à la différentation.

Confined cell nematics submitted to an orientation field. Applications to differentiation.

• Auteur / Autrice : Thibault Aryaksama
• Direction : Pascal Silberzan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....) - Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Joanny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Silberzan, Jean-François Joanny, Catherine Picart, Stefano Guido, Myriam Reffay, Bruno Cadot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Picart, Stefano Guido

Mots clés

Mots clés libres

Nématiques actifs

Comportements collectifs cellulaires

Multiéchelle

Contact guidance

Différentiation

Active nemaics

Collective cell behaviours

Multiscale

Contact guidance

Differentiation

Résumé

In vivo, les groupes de cellules ont besoin de se déplacer de façon coordonnée pour pouvoir développer des fonctions physiologiques. Certaines cellules sont entourées d’une matrice extracellulaire, un réseau de protéines allant du nanomètre aux centaines de micromètres. Dans un tel environnement, les cellules peuvent se déplacer ensemble,guidées par l’orientation du réseau. Ce comportement a été étudié in vitro dans des systèmes simplifiés utilisant des guides de différentes tailles. Ces études montrent que la taille du guide contrôle le mouvement collectif des cellules.Cependant, ce mouvement collectif et les mécanismes associés sont encore flous dans les systèmes où coexistent des guides de plusieurs tailles.Dans cette thèse, nous avons cultivés des cellules sur des substrats présentant deux échelles de tailles: des microabrasions subcellulaires orientées selon un angle par rapport à des bandes mésoscopiques plus larges. Nous montrons que la largeur de la bande contrôle une transition d’orientation des cellules entre les deux modes de guidage,et ce, pour une largeur critique. Plus précisément, l’angle au centre dans les bandes larges est stabilisé par un effet de“contact guidance” indépendant de l’activité cellulaire, alors même que la migration collective des cellules montre un écoulement de cisaillement aux bords de la bande. Ces observations ont été reliées à un modèle théorique que nous avons développé, basé sur la matière active. De plus, en changeant l’orientation des microabrasions, nous avons mesuré le “flow-alignment parameter” pour la première fois dans de tels systèmes.Ces mécanismes généraux peuvent s’appliquer à d’autres contextes in vivo, en particulier pendant la myogénèse. En cultivant des myoblastes de souris, les cellules C2C12, sur nos substrats multi-échelles, nous avons observé leur auto-organisation en une “corde cellulaire” tridimensionnelle. Grâce à cette structure particulière, la différentiation a été favorisée par rapport aux méthodes classiques de la littérature. Ceci montre un impact réel de la géométrie du substrat sur le processus de différentiation. Nous proposons donc une méthode simple de myogénèse basée seulement sur l’auto-organisation cellulaire. Cette thèse peut avoir des applications dans l’ingénierie tissulaire.

Group of cells in vivo need to move together in order to achieve physiological function. In particular, some cells are surrounded by extracellular matrix, a meshwork of proteins displaying sizes ranging from nanometers to hundreds of micrometers. In such environments, cells can move altogether directed by mesh orientation. This behaviour has been studied in vitro for simplified systems using guiding cues of different sizes. These studies show that the size of the cue controlled the cell collective motion. However, cell collective motion and the mechanisms involved in systems displaying a mix of different length scales cues are still unclear.In this thesis, we plated cells on substrates that have been textured at two length scales: subcellular microridges making an angle with a wider mesoscopic stripe. We show that the stripe’s width controls a transition at a critical width for the orientation angle of the cells between the two limiting cases. More precisely, middle angle in wider stripes is stabilized by a simple contact guidance effect independent of cell activity while collective cell migration display shear flows close to the edge of stripes. These observations fit a theoretical model we developed based on active matter framework. More interestingly, changing the microscale field orientation allowed us to measure the so-called flow-alignment parameter for the first time in such systems.Understanding these general mechanisms can be relevant in other several contexts in vivo, in particular during myogenesis. By seeding C2C12 mouse myoblasts cells on our previous multiscale system, we observed the self-organization of a 3D “cell cord” in the center of stripes. Due to their particular structures, differentiation was favored compared to classical patterns of the literature showing a real impact of geometrical conditions on cell differentiation processes. We then managed to provide a simple method of muscle differentiation based on cellular self-organization only. This thesis could have outcomes in the tissue engineering field.