CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Nématiques cellulaires actifs – ActCellNem

Nématiques Cellulaires Actifs

Explorer et interpréter les comportements de populations de cellules fusiformes à confluence confinées dans des pistes mésoscopiques et soumises à un champ extérieur.

Explorer les comportements non pris en compte par la théorie de base des gels actifs.

Les cellules fusiformes confinées dans des pistes ont des comportements globalement bien décrits par une théorie des gels actifs. Cependant, certaines observations demeurent non expliquées. Il s’agit dans ce projet couplant instrumentation, expériences et théorie, de mieux comprendre i/ la chiralité intrinsèque de ces populations, ii/ l’importance et le rôle de la friction des cellules avec le substrat, iii/ les flux cellulaires convergents conduisant à l’apparition d’une corde cellulaire au centre de la piste. Nous avons en particulier recours à un champ extérieur faisant un angle avec la direction de la piste. Ce champ est induit par une microtopographie orientée agissant comme « guidage par contact » (contact guidance). La théorie des gels actifs sera enrichie pour permettre d’expliquer les résultats obtenus. La microscopie sans lentille sera utilisée et améliorée pour pouvoir en particulier mesurer des échantillons épais.

Les pistes larges sont préparées par un traitement chimique classique. La surface de la piste sera modifiée par traitement chimique pour ajuter la friction On travaillera également sur des substrats souples. Les microtopographies orientées sont générées par abrasion des surfaces de verre de manière contrôlée. Les forces accompagnant la formation de la corde cellulaire seront mesurées par TFM et la différenciation des myoblastes sera monitorée dans ces structures tridimensionnelles orientées. En ce qui concerne la chiralité, la position du centrosome des cellules sera mesurée pour les cellules isolées dans des micropatterns et pour les populations confinées. Enfin, nous augmenterons notre capacité expérimentale en travaillant avec le microscope sans lentille qui s’installe directement dans un incubateur. Outre les analyses de champ d’orientation et de vitesse, un effort computationnel sera mis en œuvre pour parvenir à des mesures quantitatives sur structures épaisses. Les outils théoriques exploitant les propriétés de symétrie des gels actifs seront développés en parallèle.

Les pistes combinant micro et méso structures ont été fabriquées et caractérisées. Les expériences ont été réalisées sur ces substrats montrant l’apparition d’une transition de Fréedericksz lorsque les deux structures sont orthogonales (compétition micro- et méso contact guidances). Une théorie qui assimile les abrasions à un champ extérieur effectif a été élaborée pour rendre compte de ces résultats en cohérence avec le comportement des cellules en l’absence d’abrasion. La situation est rendue complexe par l’apparition de défauts topologiques qui sont absents si les abrasions font un angle fini avec la piste. La transition de 2D à 3D a été abordée sur un défaut isolé. Ce travail a mis en évidence une hétérogénéité des défauts dont certains sont immobiles, probablement en raison d’une accumulation de matrice extra-cellulaire. C’est sur ces défauts que les bicouches se forment. D’un point de vue plus instrumental, une nouvelle méthode algorithmique permettant de reconstruire des images de multi-couches cellulaires à partir d’acquisitions obtenues par microscopie sans lentille a été mise en place. Cette méthode consiste en une alternance de deux approches algorithmiques, résolution de problème inverse et réseaux de neurones profonds. De premiers résultats obtenus sur simulations montrent que l’on peut reconstruire grâce à cette nouvelle méthode une image de phase quantitative d’amas cellulaires (diamètre 110-160µm) jusqu’à une épaisseur de 50µm.

En dehors de tâches d’écriture d’articles et de thèses, nous allons travailler sur substrat périodique en ensemençant les cellules sur des fibres de verre et en travaillant l’aspect théorique en parallèle. Nous allons étendre notre travail sur la formation de bicouches depuis un défaut isolé jusqu’à la formation coordonnée des cordes cellulaires en milieu de piste en présence ou non d’abrasions a différents angles. Les expériences de TFM nous renseigneront sur les forces de traction mises en jeu. Ce travail sera poursuivi par la quantification de l’efficacité de la différenciation de ces cellules dans ces diverses conditions. La chiralité collective sera mesurée sur pistes et sur les fibres et comparée avec la chiralité individuelle. Les termes chiraux seront introduits dans les expressions théoriques pour rendre compte des résultats expérimentaux. Le développement de la microscopie sans lentille sera poursuivi de manière à valider sur des échantillons réels les résultats obtenus sur simulations.

10 conférences et posters
2 publications. Trois autres sont en préparation

Les cellules fusiformes confluentes tendent à s’aligner entre elles et à adopter un ordre nématique (c’est-à-dire un ordre orientationnel mais pas positionnel). Lorsqu’on les confine dans des pistes adhérentes, certains types cellulaires s’alignent avec la direction de la piste et ne montrent pas de comportement dynamique remarquable ; d’autres, au contraire, adoptent spontanément un angle fini par rapport à la piste et développent des déplacements antiparallèles près de chaque bord qui définissent un écoulement de cisaillement. Il est à noter que plusieurs observations in vivo font état de tels déplacements antiparallèles, en particulier au cours du développement tumoral. Nos premières observations ont montré une influence majeure de la friction cellule-substrat ; elles ont également mis en évidence des écoulements convergents amenant à des cordes cellulaires tridimensionnelles au centre de la piste, ou encore une chiralité extrêmement robuste se manifestant à cette échelle pluricellulaire. Nous proposons ici un projet associant expériences et théorie et visant à mieux comprendre ces différentes caractéristiques. En pratique, il s’agira de suivre l’ordre nématique et les déplacements cellulaires associés dans le plan et hors-du-plan, à partir d’une monocouche. Ainsi, nous proposons de comparer le guidage par contact mésoscopique obtenu dans les pistes décrites plus haut (typiquement qqs 100 µm de large) avec celui résultant de microstructures plus classiquement utilisées dans cette application (typiquement un réseau de micro-pistes parallèles de qqs µm de large). Pour cela, nous ferons coexister sur le même dispositif des structures à ces deux échelles très différentes. Nous prévoyons une transition d’orientation à une largeur critique de la piste mésoscopique lorsque les orientations imposées par ces deux champs sont différentes. En outre, l’orientation des microstructures définit une friction anisotrope dans les pistes mésoscopiques, ce qui a pour effet de modifier les poids respectifs des écoulements de cisaillement et des écoulements convergents, la formation des cordes cellulaires tridimensionnelles étant favorisée par les écoulements convergents. Outre l’étude des mécanismes fondamentaux à l’origine de la formation d’une structure 3D à partir d’une monocouche, il s’agit d’une étape importante dans le contexte de la différentiation cellulaire en particulier pour les cellules musculaires ; les applications possibles dans ce contexte seront explorées. La chiralité mesurée sur ces assemblées cellulaires confinées pose des questions fondamentales dans un contexte de biologie du développement. Nous allons nous attacher à comprendre comment la chiralité (faible) à l’échelle d’une cellule individuelle est amplifiée à l’échelle d’une assemblée cellulaire. D’un point de vue pratique, l’ensemble des expériences projetées nécessite des techniques d’observation adaptées. Devant le nombre d’expériences à entreprendre, notre choix s’est naturellement porté vers la microscopie sans lentille dont les performances à grand champ y compris pour des couches cellulaires confluentes très denses, ont été récemment démontrées. En outre, la technique est compatible avec nos modes d’analyse par corrélation d’images sans avoir à passer par une étape de reconstruction. Nous utiliserons cette technologie pour mener de nombreuses expériences en parallèle sur le même champ de vision, par exemple sur des pistes de largeurs différentes. En parallèle, nous nous attacherons à développer de nouveaux algorithmes de manière à pouvoir reconstruire quantitativement des structures 3D telles que les cordes cellulaires. Enfin, une des dominantes de ce projet est son couplage avec la théorie. Une théorie des fluides actifs a déjà montré son potentiel sur nos expériences initiales. Il conviendra de dépasser le modèle initial pour interpréter les expériences présentées plus haut et en élaborer de nouvelles.

Coordination du projet

Pascal SILBERZAN (INSTITUT CURIE - SECT DE RECHERCHE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LETI Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information
PABP INSTITUT CURIE - SECT DE RECHERCHE
PBME INSTITUT CURIE - SECT DE RECHERCHE

Aide de l'ANR 378 360 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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