Sensibilité de cellules vivantes aux propriétés mécaniques et géométriques de leur environnement

par Amsha Proag

Thèse de doctorat en Interfaces Physique Biologie

Sous la direction de Sylvie Hénon.

Soutenue en 2012

à Paris 7 .

mots clés

• Cellules épithéliales
• Contrainte mécanique
• Microscopie confocale
• Mécanotransduction cellulaire

Résumé

Les tissus animaux constituent des systèmes biologiques hautement organisés, où les échelles cellulaire et multicellulaire sont en corrélation constante. Non seulement les cellules régulent leur comportement au moyen de signaux biochimiques : elles transmettent aussi des stimuli mécaniques, via le cytosquelette et les complexes d'adhésion, ce qui conduit à la formation d'une organisation collective tridimensionnelle où cellules et tissu se contraignent mutuellement. Afin d'étudier les aspects mécaniques et géométriques des interactions entre cellules, nous avons cultivé des tissus épithéliaux sur des micro-environnements artificiels. Nous avons fabriqué des substrats microstructurés en polyacrylamide et en polydiméthylsiloxane, de rigidité et de géométrie définies, sur lesquels nous avons fait croître un épithélium de MDCK. Nous avons également modifié les propriétés adhésives de ces substrats pour y confiner une seule cellule et simuler ainsi les contraintes topologiques du tissu sur une cellule individuelle. Après avoir marqué les composants internes gouvernant l'architecture cellulaire, nous avons pu en obtenir des images 3D en microscopie confocale et quantifier la morphologie des cellules. Les distributions de volume des cellules et des noyaux mesurées diffèrent en fonction de leur localisation au sein du tissu, ainsi que de la géométrie et de la rigidité de l'environnement. En modifiant ces paramètres expérimentaux, nous avons pu observer l'effet de contraintes externes sur la morphologie cellulaire. Enfin, nous avons remarqué que le relief du tissu dépendait de la topographie du substrat, et nous en avons proposé un modèle qui lie les deux échelles d'organisation.

Titre traduit

Sensitivity of living cells to mechanical and geometrical properties of their environment

Résumé

Animal tissues constitute highly organized biological Systems, where the cellular and rmulticellular levels are in constant interrelation. Not only do cells regulate their behaviour via biochemical signalling: they also transmit mechanical stimuli, through the cytoskeleton and adhesion complexes, which leads to the formation of a tridimensional collective organization where cells and tissues constrain each other. To investigate the mechanical and geometrical aspects of intercellular interactions, we cultivated epithelial tissues on artificial micro-environments. We manufactured polyacrylamide and polydimethylsiloxane microstructured substrates with precise stiffness and geometry, which we grew MDCK epithelia on. We also modulated the adhesive properties of these substrates in order to confine a single cell and simulate the topological constraints of the tissue on an individual cell. After staining the internal components which govern cell architecture, we were able to obtain 3D images using confocal microscopy and to quantify the morphology of the cells. The measured volume distributions of cells and nuclei differed according to their localization within the tissue, as well as to the geometry and stiffness of the environment. Modifying these experimental parameters made it possible to observe the effect of external constraints on cell morphology. Finally, we found that the tissue profile depended on the topography of the substrate, and we suggested a mode! which correlates both organizational levels.