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    La mécanobiologie à l’Institut Cochin

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    1 – Mécanobiologie

    Qu'est-ce que c'est ?

    La mécanobiologie, science de la mécanique (forces et interactions physiques) des systèmes biologiques, étudie les relations fonctionnelles entre les constantes physiques d'un tissu et ses réponses biologiques. Les cellules adaptent leur métabolisme global et leur comportement à leur environnement et en retour agissent dessus. Elles sont capables de détecter les propriétés de leur environnement mécanique (mécano-détection) et d'y répondre (mécano-transduction).

    Ainsi, des modifications de forme, de polarité et de migration associées ou non à des modifications du devenir et de l'identité de la cellule sont la conséquence de la réponse aux informations mécaniques (forces de cisaillement, visco-élasticité du substrat, pression osmotique, rigidité, étirement, pesanteur …). Les tissus présentent une grande étendue de degré de leur rigidité (Figure 1) (Engler, Cell 2006 126 677-89). Les signaux mécaniques sont "traduits" en signaux biochimiques (phosphorylations, modification du repliement de protéines par exemple) et interprétés par la cellule pour la réorganisation dynamique du cytosquelette, la relocalisation subcellulaire de protéines régulatrices et l'expression génique.

     

    Lien avec la physiologie ? physiopathologie ?

    Mesurer les forces et comprendre leur impact sur la physiologie cellulaire est la base de l'analyse de l'architecture d'un tissu et de sa dynamique dans des situations normales et pathologiques. La mécanique tissulaire est altérée dans divers types de situations pathologiques : dans certains cancers où une augmentation de la rigidité est associée à un plus fort potentiel métastatique, au cours de l'inflammation, lors de la rigidification des artères coronaires, à la suite d'un choc violent avec ossification des tissus musculaires (ostéome) etc. A l'opposé, une immobilisation forcée ou une situation d'apesanteur conduit à une perte de la rigidité (ostéoporose).

    La plateforme BioMecan’IC récemment créée poursuit et finalise sa phase de construction et se structure. Nous présenterons ici quelques questions de mécanobiologie auxquelles la plateforme s'efforce de répondre (voir prochainement la page de la plateforme sur le site de l'Institut pour plus de détails).

     

    2 – Les questions qu'on pose et les techniques qui y répondent

    A - Comment les cellules/tissus répondent-elles à l'environnement (en termes de rigidité en 2 dimensions) ?

    Environnement homogène

    Les gels de rigidités variables fonctionnalisés de façon homogène par des molécules d'adhérence miment le microenvironnement cellulaire. Ces surfaces constituent un substrat de culture pour les cellules et permettent de suivre leur comportement, mesurer divers paramètres (étalement, migration, …) et étudier la localisation subcellulaire de marqueurs d'intérêt. On utilise préférentiellement les gels de polyacrylamide (figure 2) et éventuellement un élastomère, le PDMS (polydiméthylsiloxane). La rigidité du gel peut être modifiée en faisant varier le ratio des réactifs qui le composent (acrylamide/bis-acrylamide). Des abaques existent pour établir le protocole et une mesure de contrôle est faite par exemple par AFM (Atomic Force Microscopy).

     

    Environnement contraint en termes de forme et d'aire

    La micro-impression peut également être utilisée pour concevoir et "dessiner" des formes qui contraindront l'adhérence des cellules sur des surfaces d'aires et de formes diverses (lignes, lignes brisées, disques, "lettres X, N, H, I, etc"). Cette technique permet d'étudier la migration cellulaire et le déplacement plus ou moins coordonné des organites cellulaires, la mise en place des adhésions focales, du cytosquelette, etc.

    Ces questions peuvent être abordées en couplant la fonctionnalité différentielle à diverses rigidités des gels de polyacrylamide (figure 3).

     

    Mesure des forces que les cellules développent (TFM)

    Les cellules exercent des forces de traction sur leur environnement qui leur permettent de migrer et de maintenir l'intégrité tissulaire. La technique de Traction Force Microscopy (TFM) permet la mesure des forces de traction développées par les cellules sur un substrat élastique et offre ainsi des informations quantitatives de la mécanique cellulaire (figure 4). La TFM utilise des gels de polyacrylamide dans lesquels de petites billes fluorescentes (170 nm) sont incorporées. Ces gels étant élastiques, les cellules vont les "froisser" déplaçant légèrement les billes. En comparant les positions des billes au repos et en présence de cellules, on en déduit leur déplacement et on calcule l'intensité des forces mises en jeu grâce à un algorithme approprié.

     

    B - Etude de la déformabilité des membranes et des organites cellulaires (micro-succion/micropipette aspiration MPA)

    Les cellules présentent des propriétés de leur membrane et de leurs organites qui varient selon le type cellulaire, leur avancement dans le processus de différenciation ou lors de mutations (lamines A/C : J Cell Physiol. 2018 233 : 5112-8). Par la technique de MPA, la rigidité membranaire peut être évaluée. Pour cela, on utilise des micropipettes dont le diamètre intérieur est plus petit que le diamètre cellulaire. Lorsqu'une dépression est appliquée à la surface cellulaire, une fraction de la cellule est aspirée dans le capillaire et est déformée (figure 5). La géométrie de la fraction aspirée ainsi que la dépression appliquée permettent la mesure de la déformabilité cellulaire. La membrane des globules rouges a été largement étudiée, cependant le champ d'application de cette technique est vaste et permet également d'étudier la réponse des cellules à la contrainte imposée par la succion en suivant par exemple la relocalisation de marqueurs fluorescents.

     

    Cette présentation reflète les approches mises en place par BioMecan'IC et celles qui sont en projet à court terme. Bien évidemment, BioMecan'IC ne peut offrir tous les services qui peuvent être envisagés par les équipes. Cependant, BioMecan'IC peut conseiller, apporter une expertise et orienter vers ses relations scientifiques et techniques !

     

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