Tomographie de Cisaillement des Flux Dynaiques à la Surface des Cellules à Base de Nanosondes – SHEARPROBE

Tout objet allongé dans un flux fluide a tendance à s'orienter selon le cisaillement du flux. À l’échelle nanoscopique, l’orientation des molécules allongées ou des nanoparticules suit presque instantanément les variations du stress de cisaillement dans les flux dynamiques. L’équilibre entre leur orientation induite par le cisaillement et la randomisation thermo-entropique établit une corrélation robuste entre le paramètre d’ordre statistique (c'est-à-dire le degré d'orientation) et le stress de cisaillement localement appliqué. Le principe de notre méthode de mesure du cisaillement (shearmetry) est de capturer l'état d'orientation collective de nanorods dispersés colloïdalement, qui exhibent une luminescence polarisée : les shearprobes, à partir desquels le stress de cisaillement peut être évalué quantitativement. Les shearprobes sont petites (largeur ~5 nm et longueur ~50 nm) et ne peuvent pas être vues ou suivies individuellement. Les fluides contenant les shearprobes sont donc optiquement homogènes – des centaines de probes résident dans un volume focal microscopique (~0.1 µm3) – garantissant une mesure statistique du paramètre d'ordre en un point donné. Cela permet une mesure instantanée du stress de cisaillement sans suivi, simplement en se concentrant sur n'importe quel point d'intérêt (Fig.1). De plus, un balayage tomographique permettrait d’obtenir des profils continus en 3D du stress de cisaillement. Cette méthode est particulièrement utile pour les mesures près des parois où le cisaillement est maximal, ce qui permet aux probes de s'aligner au maximum. Comme shearprobes, nous utilisons des nanocristaux de LaPO4 dopés à l’europium, qui présentent une caractéristique unique de polarisation dans leur spectre de photoluminescence. Les spectres de luminescence de ces cristaux affichent plusieurs pics nets en raison de l’effet de division de champ cristallin sur les nombreux sous-niveaux de transition dégénérés dans les orbitales atomiques 4-f des lanthanides. En connaissant la polarisation de ces pics, nous pouvons utiliser leur intensité mesurée comme paramètres dans un ensemble d’équations trigonométriques pour résoudre l’orientation d'une particule unique ou pour le paramètre d'ordre et le directeur d'un ensemble.

Tout objet allongé dans un écoulement fluide a tendance à s'orienter suivant le cisaillement du flux. À l’échelle nanoscopique, l’orientation des molécules allongées ou des nanoparticules suit presque instantanément les variations du stress de cisaillement dans les flux dynamiques. L'équilibre entre leur orientation induite par le cisaillement et la randomisation thermo-entropique établit une corrélation robuste entre le paramètre d'ordre statistique (c'est-à-dire le degré d'orientation) et le stress de cisaillement localement appliqué. Le principe de notre méthode de mesure du cisaillement (shearmetry) est de capturer l'état d'orientation collective de nanorods dispersés colloïdalement, exhibant une luminescence polarisée : les shearprobes, à partir desquels le stress de cisaillement peut être évalué de manière quantitative. Les shearprobes sont petites (largeur ~5 nm et longueur ~50 nm) et ne peuvent pas être vues ou suivies individuellement. Les fluides contenant les shearprobes sont donc optiquement homogènes – des centaines de probes résident dans un volume focal microscopique (~0.1 µm3) – garantissant une mesure statistique du paramètre d'ordre en un point donné. Cela permet une mesure instantanée du stress de cisaillement sans suivi, simplement en se concentrant sur n'importe quel point d'intérêt (Fig.1). De plus, le balayage tomographique permettrait de rendre des profils continus en 3D du stress de cisaillement. Cette méthode est particulièrement utile pour les mesures près des parois où le cisaillement est maximal, de sorte que les probes s'alignent au maximum.
Comme shearprobes, nous utilisons des nanocristaux de LaPO4 dopés à l’europium, qui présentent une caractéristique unique de polarisation dans leur spectre de photoluminescence. Les spectres de luminescence de ces cristaux affichent plusieurs pics nets en raison de l'effet de division de champ cristallin sur les nombreux sous-niveaux de transition dégénérés dans les orbitales atomiques 4-f des lanthanides. En connaissant la polarisation de ces pics, nous pouvons utiliser leur intensité mesurée comme paramètres dans un ensemble d’équations trigonométriques pour résoudre l’orientation d'une particule unique ou pour le paramètre d'ordre et le directeur d'un ensemble.

Nous visons à utiliser notre technique de shearmetry pour tester deux hypothèses.
Première hypothèse : Nous avons précédemment démontré que l'écoulement induit la mobilisation du calcium intracellulaire dans les monocouches de cellules endothéliales (CE), entraînant la génération de vagues de calcium qui se propagent au sein de la monocouche. La réponse au calcium dans la monocouche est fortement hétérogène. En général, la réponse peut être de deux types : certaines cellules montrent une réponse robuste au calcium, tandis que d'autres n'affichent que des changements minimes des niveaux de calcium intracellulaire. Nous émettons l'hypothèse que cette hétérogénéité entre les cellules est due aux différents niveaux de stress de cisaillement local appliqué à chaque cellule, provoqués par des formes et topographies cellulaires irrégulières.
Deuxième hypothèse : Dans un travail précédent, nous avons créé une blessure par raclage sur des monocouches de CE et étudié la dynamique de la guérison de la plaie sous stress de cisaillement. Nous avons observé que les cellules le long du bord aval de la plaie migrent de manière significativement plus lente que celles le long du bord amont. Cependant, la base de ces observations reste inconnue. Nos travaux plus récents ont montré que, bien que les CE le long du bord amont de la plaie soient fortement allongées et alignées dans la direction horizontale du flux, les CE le long du bord aval sont arrondies. Nous émettons l'hypothèse que cette différence de forme des CE conduit à différents niveaux de stress de cisaillement à la surface endothéliale, ce qui explique les différences observées dans les profils de migration entre les cellules des deux bords de la plaie.

Wang, Z., Zou, Q., Magermans, L., Amselem, G., Dessalles, C.A., Louis, B., Filoche, M., Gacoin, T., & Kim, J. (2024). Shearmetry of Fluids with Tunable Rheology by Polarized Luminescence of Rare Earth-Doped Nanorods. ACS nano.

La compréhension de l’impact de forces de cisaillement sur l’activité cellulaire est une question cruciale pour la découverte de nouvelles thérapies, pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostiques et la mise au point de dispositifs médicaux associés. Parce qu’il n’existe aucune méthode pour mesurer en temps réel des forces de cisaillement fluctuantes (par exemple liées aux battements sanguins), notre connaissance de la manière dont le flux détermine un certain nombre de fonctions cellulaires est très limitée. Ce projet vise au développement d’une tomographie de forces de cisaillement avec une résolution spatio-temporelle inégalée. Ceci constituera une avancée décisive par rapport aux approches conventionnelles basée sur le suivi de particules au sein de chambres microfluidiques. Nous proposons le développement d’une technique de mesure de cisaillement via une méthodologie radicalement différente basée sur la capture de l’orientation induite par le cisaillement de nanobâtonnets luminescents. Comme étude de cas pratique, nous nous intéresserons à des questions importantes de méchanobiologie appliquée à des cellules endothéliales tapissant la paroi interne de vaisseaux sanguins. Nous étudierons ainsi la mobilisation du calcium intracellulaire et la cicatrisation endothéliale induites par le flux sanguin. Ce projet ouvre des perspectives pour la mise au point de plateformes expérimentales de mesure de cisaillement utilisables comme outil universel pour la mesure, le suivi dynamique et l’analyse de distributions de forces de cisaillement dans une large gamme de systèmes micro- et bio-fluidiques et d’environnements.