Uniaxial mechanical assays on adherent living single cells : animal embryonic fibroblasts and human pancreas cancer cells

• Auteur / Autrice : Alexandre Micoulet
• Direction : Joachim Spatz, Bertrand Fourcade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) en cotutelle avec Ruprecht-Karls-Universität (Heidelberg, Allemagne)
• Jury : Président / Présidente : Heinz Horner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Derouard

Résumé

Bien que, grandement complexes, les animaux, les tissus vivants et les cellules, la plus petite unité de vie, sont assujettis aux lois de la physique. Dans les tissus vivants, des processus de régulation permanents ou transitoires, tels que des interactions biochimiques et mécaniques entre une cellule isolée et son environnement, sont essentiel au développement et au maintient de la structure et des fonctions du tissu. Ces interactions interviennent dans des processus biologiques tel que la différentiation cellulaire et l'expression génétique. Les cellules cancéreuses et les métastases échappent au contraire à toutes régulations. Elles prolifèrent et migrent à travers les tissus, ignorant les signaux de régulation environnant. Leurs propriétés mécaniques et d'adhésion sont très différentes de celles des cellules saines. L'étude suivante présente différentes expériences qui cherchent à mimer les conditions in vivo en appliquant un stress uniaxial à une cellule isolée sous conditions physiologiques. Simultanément, la force appliquée à la cellule, sa déformation et sa forme, sont mesurées. La déformation uniaxiale est appliquée à une cellule isolée adhérant sur deux plaques de verre. De tels essais mécaniques réalisés à constante déformation ou à constante force permettent la quantification des propriétés mécaniques cellulaire et une description physique des données par le modèle de Kelvin. Des lipides bioactifs tel que la sphingosylphosphorylcholine et l'acide Iysophosphatidique, modifient l'architecture du cytosquelette. Ces modifications influencent fortement les propriétés mécaniques des fibroblastes ou les cellules cancéreuses du pancréas.

Despite their biological complexity, animais, living tissues and cells, the smallest unit oflive, are subjected to physical principles. Ln living tissues, permanent or transient regulation processes, such as biochemical and mechanical interactions between a single cell and its environment are essential to develop tissue structure and function. These interactions play a major role in biological processes such as differentiation and gene expression of cells. Ln contrast, metastatic cancer cells escape such regulations. These cells proliferate and migrate through tissues unregulated, ignoring input from environment. Their mechanical and adhesion properties are drastically different than those of non-tumour cells. The presented studies describe experiments which mimic conditions in vivo by applying uniaxial stress to a single living cell under physiological conditions. Simultaneously, applied force, cell deformation and cellular shape are determined with highest accuracy. Uniaxial deformation is applied to a single cell which adheres between two parallel glass plates. Such mechanical assays accompli shed at constant displacement or constant force allow for quantifYing cellular viscoelastic properties and for describing the data by using linear force relations or the Kelvin mode!. Biolipids such as sphingosylphosphorylcholine and Iysophosphatidic acid modulated the cytoskeleton architecture which showed to cause fatal consequences for mechanical properties of rat embryonic fibroblasts and human pancreatic cancer cells.