Thérapie cellulaire : comment contrôler l'organisation cellulaire ?

par Guillaume Frasca

Thèse de doctorat en Interfaces Physique - Biologie

Sous la direction de Claire Wilhelm.

Soutenue en 2010

à Paris 7 .

mots clés

• Magnétisme
• Phénomènes physiques
• Agrégation cellulaire
• Structures d'échafaudage tissulaires
• Cellules souches
• Adhérence cellulaire

Résumé

En s'appuyant sur une technique universelle de marquage magnétique de cellules vivantes, on peut former des assemblages multicellulaires tri-dimensionnels par l'application d'une force magnétique localisée. Ce guidage actif de l'adhésion permet de contrôler les dimensions de l'agrégat, ouvrant de nombreux champs d'applications pour l'étude des interactions inter-cellulaires comme pour l'ingénierie tissulaire. Afin de mesurer la cohésion d'un assemblage de plusieurs centaines de milliers de cellules, nous avons observé sa dynamique de relaxation une fois la force magnétique relâchée ; celle-ci renseigne sur les interactions inter-cellulaires développées en son sein. Au-delà d'une classification qualitative, permettant de distinguer les types cellulaires présentant des mécanismes d'adhésion spécifiques, nous avons mis en évidence des variations plus fines liées à l'expression de la E-cadhérine, protéine transmembranaire régulant l'adhésion inter-cellulaire. Des analogies avec la physique des systèmes granulaires et des mousses amènent à construire des modèles simples liant comportement macroscopique et propriétés cellulaires. Le guidage magnétique actif a été appliqué à la différenciation de cellules souches mésenchymateuses vers la voie chondrogénique (formation de tissu cartilagineux). Une pré-condensation cellulaire est nécessaire : usuellement effectuée par centrifugation, elle est ici obtenue par l'application d'un champ tout au long du processus de différenciation. L'innocuité du marquage magnétique vis-à-vis de la différentiation chondrogénique a été vérifié au préalable. La condensation magnétique a permis d'obtenir des agrégats différenciés de plus grande dimension.

Titre traduit

Tissue engineering : how to controll cell organization?

Résumé

Using a universal technique of magnetic labelling of living cells, we achieve the formation of three-dimensional multicellular assemblies by applying a localised magnetic force. This active control of cell adhesion allows us to determine the final aggregate dimensions, and yields a broad range of applications, from inter-cellular interactions study to tissue engineering. The cohesion of an assembly containing hundreds of thousands of cells can be linked to its relaxation dynamics observed after the force withdrawal ; this kinetics relies on inter-cellular interactions within the assembly. Besides a qualitative distinction between cell types according to the specificity of adhesive mechanisms at play, we observe sensible variations due to the expression of E-cadherin, a tranmembrane protein involved in intercellular adhesion. Through analogies with granular media and foam physics, we build simple models to correlate macroscopic behavior and individual cell properties. Active magnetic patterning can be applied to mesenchymal stem cells chondrogenic differentiation (formation of cartilage). Cellular pre-condensation is crucial: usually obtained though centrifugation, it is here obtained via the application of a magnetic force throughout differentiation. Magnetic labelling innocuity has been tested as a prerequisite. This magnetic condensation allows us to form full differentiated aggregates of higher dimensions.