Génération de force et migration des cellules vasculaires sous contraintes géométriques

Vascular cell migration and force generation under tailored geometrical constraints

• Auteur / Autrice : Aude Sagnimorte
• Direction : Camille Duprat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, Acoustique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Karine Anselme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Duprat, Hélène Delanoë-Ayari, Anke Lindner, David Gonzalez-Rodriguez, Pablo J Saez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Anselme, Hélène Delanoë-Ayari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contractilité

Microfluidique

Mécanobiologie

Mots clés libres

Mécanobiologie

Microfluidique

Hydrogels

Cellules murales

Contractilité

Motilité cellulaire

Mechanobiology

Microfluidic

Hydrogels

Mural cells

Contractility

Cellular motility

Résumé

Les vaisseaux sanguins sont constitués de différents types de cellules, dont les cellules endothéliales et les cellules murales. Les cellules endothéliales tapissent la paroi interne des vaisseaux, tandis que les cellules murales se trouvent à l'extérieur des vaisseaux sanguins. Le terme "cellules murales" englobe deux types de cellules : les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLs), qui se trouvent autour des gros vaisseaux, et les péricytes (PCs), présentes autour des vaisseaux plus petits tels que les capillaires. Les péricytes jouent un rôle essentiel dans notre santé, renforçant mécaniquement les microvaisseaux, contrôlant le flux sanguin dans les microvaisseaux, et contribuant à l'angiogenèse. Leur dysfonctionnement, en revanche, est à l'origine de nombreuses maladies, telles que la maladie d'Alzheimer, la formation de tumeurs ou le diabète. En dépit de leur rôle important, des aspects tels que l’hétérogénéité et les fonctions des PCs restent encore à clarifier et font l'objet de divers débats scientifiques. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de deux fonctions essentielles des péricytes : leur migration et leur capacité à exercer des forces contractiles. Pour ce faire, nous avons développé deux outils in vitro qui reproduisent les contraintes géométriques que les péricytes rencontrent in vivo.Pour caractériser la migration des péricytes, nous utilisons d'abord des micropatterns en forme de ligne pour imiter le confinement des microvaisseaux. Parallèlement, nous développons un modèle théorique simple pour rationaliser le comportement des cellules. Nous avons constaté qu'avec notre configuration 1D, nous pouvons retrouver certains des paramètres morphologiques des PCs in vivo. L'analyse de la migration des PCs révèle que la vitesse des cellules est négativement corrélée à leur longueur, et que leur migration peut être modélisée comme une particule soumise à un mouvement brownien 1D à friction sèche. Nous ajoutons ensuite des espaces non-adhérents de différentes tailles aux lignes, créant ainsi un substrat non-uniforme pour étudier la dynamique des PCs dans diverses configurations. Nous observons que la probabilité de franchissement des PCs diminue de manière exponentielle avec la taille de l'espace non-adhérent et est indépendante de la longueur des micropatterns.La deuxième partie de cette thèse vise à mesurer les forces contractiles exercées par les cellules murales. Nous fabriquons des microfibres d'hydrogel suffisamment molles pour mesurer les forces des cellules murales et suffisamment fines pour imiter la courbure des microvaisseaux. Les fibres d'hydrogel sont produites dans des microcanaux à deux phases et solidifiées par photopolymérisation. Nous établissons d'abord des lignes directrices pour produire les fibres souhaitées puis, caractérisons quantitativement leurs propriétés mécaniques, telles que leur module de Young, à l'aide de la microscopie à force atomique. Nos résultats montrent une augmentation exponentielle du module d'Young avec le temps d'exposition aux UV et que la forme et le flux dans le pré-gel pourraient impacter les propriétés mécaniques. Après avoir obtenu des microfibres fines et d'une rigidité de quelques kilopascals, nous étudions l'effet de la courbure sur l'organisation des CMLs et observons que, comme sur les fibres rigides, elles s'alignent longitudinalement avec la fibre. Sur les fibres encore plus fines, les cellules murales plient les fibres, ce qui nous permet d'estimer les forces de traction exercées par les cellules.Dans l'ensemble, cette thèse apporte des informations sur la migration des cellules murales ainsi que sur leur comportement sur des substrats courbés et mous. De plus, la caractérisation mécanique des fibres d’hydrogel peut servir à d'autres applications en biologie ou en interactions fluide-structure.

Blood vessels are constituted of different cell types, including endothelial cells and mural cells. Endothelial cells form the vessel's inner wall, while mural cells line the outer endothelial tube. The term mural cell refers to two types of cells: vascular smooth muscle cells (SMCs), found on large vessels, and pericytes (PCs), found on smaller vessels such as capillaries. Pericytes play a crucial role in maintaining our health by regulating blood flow within the microcirculation, providing mechanical support to small blood vessels, and contributing to the formation of new blood vessels. Their dysfunction is involved in a number of diseases, such as Alzheimer’s disease, tumour formation or diabetes. Despite the important role they play, the heterogeneity and functions of the pericyte are yet to be fully understood and remain subjects of ongoing debate. Clarifying these aspects is crucial for advancing our knowledge of vascular biology and its potential therapeutic applications. In this thesis, we study two essential pericyte functions, migration and contractility. We create two in vitro tools that mimic the geometrical constraints that pericytes experience in vivo.To investigate pericyte migration, we first use micropatterned lines to mimic microvascular confinement. In parallel, we develop a minimal theoretical model to rationalise cell behaviour. We are able to reproduce some of the in vivo morphological parameters with our simple 1D system. The quantification of PC migration shows that cell speed and length are negatively correlated and that PC migration can be modelled as a particle undergoing 1D Brownian motion with dry friction. Then, we add non-adherent gaps of different sizes to the lines to create non-uniform substrates and study pericyte dynamics in different configurations. We observe that the pericyte crossing probability decreases exponentially with gap size and is independent of micropattern length.The second part of this work aims to measure the contractile forces exerted by mural cells. We fabricate hydrogel microfibres that are soft enough to measure cell forces and thin enough to mimic the curvature of small blood vessels. The hydrogel microfibres are produced using a two-phase flow-focusing channel and photopolymerisation. We first define guidelines for producing the desired microfibres and then characterise their mechanical properties, such as their Young's modulus, using atomic force microscopy. Our results show an exponential increase of Young's modulus with UV exposure time and that the shape and flow of the pre-gel could have an impact on mechanical properties.After successfully obtaining and functionalising thin microfibres of a few kilopascals, we study the effect of curvature on the organisation of SMC cytoskeleton and observe that as on stiff fibres, they align axially with the fibre. However, on even thinner fibre, mural cells bend the fibre, allowing us to estimate cell-exerted traction forces.Overall, this thesis provides insight into vascular cell migration and behaviour on curved and soft substrates. In addition, the mechanical characterisation of hydrogel fibres can serve for other applications in biology or fluid-structure interactions.