Projet ANR-12-JSV5-0008 – ModElast : Sensibilité des cellules aux propriétés élastiques de la matrice extracellulaire:
étude des réponses cellulaires individuelle et collective à une modulation spatiale 2D ou 3D de la rigidité.
Programme : JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Alice Nicolas (Laboratoire des Technologies de la Microélectronique)
Partenaires : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique
Montant : 149735.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Adaptation des cellules à leur environnement mécanique: organisation, adhésion, migration et guidage cellulaires induits par un gradient d'élasticitéétude des réponses cellulaires individuelle et collective à une modulation spatiale 2D ou 3D de la rigidité
...La découverte que les cellules animales sentent les propriétés mécaniques de leur environnement a ouvert de nouvelles opportunités pour l'ingénierie tissulaire. L'organisation spatiale de cellules, leur guidage, le tri cellulaire pour le diagnostique médical, ou la différentiation sélective spatialement organisée de cellules souches sont des applications aujourd'hui réalisables en utilisant la réponse cellulaire à un gradient d'élasticité. Ces dernières sont devenues techniquement accessibles grâce à un procédé que nous avons récemment mis au point dans notre laboratoire : la fabrication de matrices extracellulaires synthétiques possédant une élasticité contrôlée et spatialement modulable, de l'échelle subcellulaire à l'échelle multicellulaire. Cependant, comment et pourquoi les cellules réagissent de la sorte à leur environnent mécanique et transforment cette information en divers processus d'adaptation reste une inconnue. Ceci limite notre efficacité à développer des outils qui utilisent la sensibilité des cellules aux gradients de propriétés mécaniques. L'objectif de notre projet est d'apporter un éclairage sur les mécanismes à l'origine de l'organisation cellulaire sur de telles matrices extracellulaires. Nous abordons cette problématique pour des cellules isolées ou organisées en tissus, évoluant dans un environnent 2D ou bien 3D.
Biochimie des adhérences et quantification des forces cellulaires en présence d'un gradient d' élasticitéNous analysons de quelle manière une modulation spatiale de l'élasticité de la matrice extracellulaire impacte (i) l'organisation de différentes protéines impliquées dans l'adhérence cellulaire, (ii) l'équilibre mécanique des cellules, par la mesure des forces cellulaires transmises à la matrice ou internes au tissu. Les modulations spatiales d'élasticité sont obtenues par photolithographie (procédé breveté). Les forces cellulaires sont extraites directement des déformations 3D que les cellules imposent à la matrice extracellulaire.
Résumé de la soumission : Depuis quelques années, des expériences conduites sur cellules isolées ont montré que les cellules adhérentes perçoivent les propriétés mécaniques de la matrice extracellulaire, conjointement aux propriétés chimiques de la surface. Il a de plus été montré que la prolifération, la différentiation, la motilité ou la polarité des cellules étaient profondément influencées par les propriétés mécaniques du milieu environnant. Ces observations ouvrent de nombreuses opportunités en ingénierie tissulaire. Nous avons récemment développé un procédé, maintenant protégé par un brevet, qui décrit la conception de matrices synthétiques à base d'hydrogel, dont les propriétés élastiques sont modulées en volume. Nous avons observé que ces matrices permettent le confinement et le guidage cellulaire. Bien que les cellules semblent se comporter de manière analogue sur des matrices possédant une modulation chimique de surface, telle que des motifs de protéines d'adhérence, les mécanismes cellulaires sous-jacents diffèrent : sensibilité chimique versus sensibilité mécanique des cellules à leur environnement. Ainsi, moduler les propriétés élastiques de la matrice extracellulaire pour manipuler le sort des cellules est une stratégie novatrice, qui était jusqu'à présent limitée par la difficulté technologique de réaliser une modulation du degré de réticulation de l'hydrogel à l'échelle micrométrique. Les applications sont d'importance : organisation surfacique de cellules pour faire du criblage, contrôle de la forme cellulaire, guidage de cellules le long de routes pour l'ingénierie tissulaire, conception de niches 2D ou 3D pour la différentiation orientée de cellules souches, conception d'une puce de diagnostique des organes ciblés par des cellules métastatiques d'une tumeur, sont parmi les potentialités offertes par ces matériaux à élasticité modulée. En sus, cette technologie est robuste, aisée à mettre en œuvre, et peu coûteuse.Le but de ce projet est d'étudier les mécanismes à l'origine de l'organisation cellulaire sur de telles matrices, aussi bien en 2D qu'en 3D. Nous explorerons les comportements de cellules isolées, ainsi que de doublets de cellules pour lesquels les adhérences immatures entre cellules sont en compétition avec les adhérences sur la matrice. Nous conclurons notre étude en abordant le comportement des monocouches cellulaires sur de tels substrats. Une analyse mécanique, basée sur la quantification des efforts cellulaires transmis à la matrice par les doublets ou les monocouches de cellules endothéliales, épithéliales et myoblastiques, sera développée et corrélée à une étude biochimique visant à identifier les partenaires des jonctions intercellulaires qui interviennent dans l'inhibition de la sensibilité à la rigidité, que nous observons dans le cas des doublets de cellules endothéliales.Deux outils seront développés au cours de ce projet : (I) un algorithme pour la quantification des forces 3D exercées sur les substrats déformables modulés en rigidité. Cet algorithme sera inspiré de travaux mathématiques sur les problèmes inverses d'élasticité. (II) La conception d'un hydrogel biocompatible et non dégradable, permettant la modulation 3D de ses propriétés élastiques. Les hydrogels composites à base d'alginate sont de bons candidats pour l'obtention de matériaux pour lesquels l'élasticité et la porosité sont décorrélées.Ces expériences serviront de support à l'extension d'un modèle que nous avions précédemment proposé. En plus de décrire la sensibilité des sites adhésifs aux propriétés mécaniques de la matrice extracellulaire, le modèle étendu introduira la sensibilité du cytosquelette d'actine aux contraintes mécaniques. Une approche innovante sera proposée pour décrire l'interaction mécanique entre les adhérences cellule/matrice et cellule/cellule. Ces approches fondamentales fourniront un cadre pour la conception de puces ou de matrices extracellulaires synthétiques pour le confinement, le guidage, ou le tri cellulaire.
Résultats : Nous avons proposé une méthode originale et extrêmement simple qui nous permet de quantifier les contraintes mécaniques internes d'une assemblée cellulaire. Nous rendons ainsi accessible à une large communauté de biophysiciens et de biologistes ce type d'analyse, jusqu'ici incertaine et réservée à des spécialistes de l'analyse numérique. Par cette méthode, nous avons montré dans le cas d'un tissu endothélial que (i) plus l'assemblée cellulaire contient un grand nombre de cellules, plus ces contraintes internes sont faibles, (ii) les contraintes internes aux cellules se propagent sur des distances très courtes, micrométriques, signifiant que ces cellules n'interagissent via les adhérences intracellulaires que très localement avec leurs voisines immédiates, et (iii) que la coordination cellulaire observée à plus grand échelle (3 à 5 cellules) se fait via l'interaction avec la matrice extracellulaire.
Nous mettons aussi en évidence sur des cellules isolées que la distribution des contraintes internes ne se déduit pas de l'observation du cytosquelette fibreux contractile d'actine visible sur la membrane basale.
Ces travaux sont soumis à une revue de rang A.
Perspectives : Nous pouvons maintenant analyser les répercussions d'un gradient d'élasticité dans la matrice extracellulaire sur les contraintes mécaniques internes des cellules, et étudier leurs corrélations avec la composition biochimique des adhérences, l'organisation du cytosquelette, ou les flux de calcium. Pour compléter notre compréhension, nous devons finaliser une méthode de calcul des forces que les cellules transmettent à la matrice qui fonctionne pour une matrice d'élasticité variable. Ainsi, nous offrirons des outils et une méthode d'analyse généraux, applicables de la cellule unique au tissu. Nous l'appliquerons aux tissus endothéliaux, en vue d'éclairer les mécanismes de remodelage et de réparation tissulaires, et épithéliaux et neuraux, pour défricher les mécanismes d'invasion tumorale induite par les propriétés physiques de la matrice extracellulaire.
Publications et brevets : Intracellular stresses in patterned cell assemblies , Michel Moussus, Christelle der Loughian, David Fuard, Marie Courçon, Danielle Gulino Debrac, Hélène Delanoë-Ayari*, and Alice Nicolas* , soumis.
Nous exposons une nouvelle méthode pour calculer les contraintes internes à une assemblée cellulaire, et montrons que les cellules endothéliales sont d'autant plus « stressées » qu'elles sont en faible nombre.
Nanoscale surface topography improves neuronal development in culture , Ghislain Bugnicourt, Jacques Brocard, Alice Nicolas, Catherine Villard*, soumis.
Nous observons que les neurites croissent plus rapidement sur des surfaces de rugosités nanométriques et s'y différencient plus tôt en axones que sur une surface plane. Cet article illustre l'influence de l'environnement physique sur la croissance et la différentiation axonale.