Projet ANR-12-BSV5-0010 – Sinus Surf : Surfaces modèles sinusoïdales pour caractériser l'influence de la déformation de cellules eucaryotes induite par la topographie
Programme : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Maxence BIGERELLE (Laboratoire d'Automatique, de Mécanique, d'Informatique industrielles et Humaines)
Partenaires : Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse; Institut des Sciences du Mouvement - Etienne-Jules Marey; Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'Informatique Industrielles et Humaines; Santé Ingénierie Biologie Saint-Etienne
Montant : 669993.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : Création d’une surface traditionnelle sinusoïdale paramétrée à très hautes définition pour modéliser les effets topographiques.Nous souhaitons maitriser l’amplitude et la fréquence d’une surface sinusoïdale afin de décroiser les aspects amplitude et fréquentiel de la rugosité sur une réponse biologique. Le sinus étant la fonction la plus simple rugueuse nous créons donc un étalon qui permettre de valider sans complexité des modèles numériques.
Utilisations et enjeux des surfaces sinusoïdales dans le domaine du vivantThis project is a basic research project aiming to elucidate the mechanisms underlying the topographically-induced cell deformation, and notably the intracellular mechano-transduction mechanisms, thanks to the association of experimental and modelling approaches. With this objective we will notably develop sinusoidal surfaces presenting peak-and-valleys at the cellular scale. On these sinusoidal and other control surfaces, we will perform original live imaging to visualize and quantify deformation of cytoskeleton and cell membrane, RhoGTPase signalling and focal adhesion formation. Moreover, an original mechanical model based on tensegrity and divided medium mechanics will be adapted to identify the intracellular tensions as well as nucleus deformation on these sinusoidal surface morphologies. Our objective is to develop new sinusoidal standards with different amplitude and frequencies usable in roughness measurements in biomaterials field but also in other fields not directly related to the project (ex. fluid mechanics, wear, adhesion, etc.). This ANR will allows us to bring new input on mechanical intracellular mechanisms underlying the cell response to topography by correlating live imaging approaches and 3D reconstruction of cells and quantification of activities of molecules involved in signal mechanotransduction. Finally, we will develop a new approach of modelling of intracellular topographically-induced deformation. At the end of this project, we will possess a library of sinusoidal model surfaces suitable for replication. This perfectly new library could be reused for future cell-surface interaction studies but also in other fields (ex. fluid mechanics, wear, adhesion, etc.).
Un processus de création de surface sans contrainte résiduellePar un double processus électrochimiques original, nous créons une surface sinusoïdale 2D et 3D. Pour régler les paramètres (au nombre de 17), une simulation 3D par élément frontière nous permet de déterminer les conditions optimales pour obtenir l’amplitude et la fréquence de la surface voulue.
Résumé de la soumission : Historiquement, les recherches développées pour comprendre comment les cellules et les tissus répondent à la topographie de surface ont été faites avec le but d’optimiser la surface des implants. Depuis plusieurs années, nous et d’autres avons développé des recherches pour comprendre les mécanismes sous-jacents à la réponse cellulaire vis-à-vis des matériaux utilisés en orthopédie et en chirurgie dentaire pour le remplacement osseux. Dans plusieurs études, nous avons démontré que l’adhésion de cellules osseuses humaines primaires était statistiquement mieux corrélée aux paramètres décrivant l’organisation de la topographie que les autres paramètres. Ce projet est un projet de recherche fondamentale qui a pour but d’élucider les mécanismes impliqués dans la déformation cellulaire sur une topographie isotrope et notamment les mécanismes de mécanotransduction intracellulaires impliqués grâce à l’association d’approches expérimentales et de modélisation. Plus spécifiquement, nous allons focaliser notre attention sur des topographies pics-vallées qui sont les morphologies principalement rencontrées in vivo par les cellules contrairement aux surfaces à morphologies anisotropes et géométriques qui ont été étudiées jusqu’à présent dans le domaine. Avec cet objectif, nous allons développer en particulier des surfaces sinusoïdales présentant des pics et des vallées à l’échelle cellulaire. Sur ces surfaces sinusoïdales et sur des surfaces contrôles, nous allons réaliser de l’imagerie originale sur cellules vivantes pour visualiser et quantifier la déformation du cytosquelette et de la membrane cellulaire, la formation d’adhésions focales et la signalisation RhoGTPase associée. De plus un modèle mécanique original basé sur la tenségrité et la mécanique des milieux divisés sera adapté pour identifier les tensions intracellulaires ainsi que les déformations nucléaires sur ces surfaces à morphologie sinusoïdale. Notre objectif est de développer de nouveaux standards sinusoïdaux avec différentes amplitudes et fréquences utilisables en mesures de rugosités dans le domaine des biomatériaux mais aussi dans d’autres domaines non directement liés au projet. Nous proposons de faire des répliques de ces surfaces afin de disposer d’un nombre d’échantillons illimité. Ensuite nous développerons des études dynamiques de la déformation des organelles intracellulaires par imagerie en vivant sous un microscope confocal spécialement adapté à l’imagerie de cellules sur des matériaux. Ce projet apportera de nouvelles informations sur les mécanismes intracellulaires impliqués dans la réponse cellulaire à la topographie grâce à l’association d’approches d’imagerie en vivant et de reconstruction 3D de cellules et de quantification de l’activité des molécules impliquées dans la signalisation de la mécanotransduction. A la fin de ce projet, nous posséderons donc une librairie de surfaces modèles sinusoïdales qui pourront être répliqués. Cette librairie parfaitement nouvelle pourra être utilisée pour de futures études d’interactions cellules-surfaces mais aussi dans d’autres domaines (mécanique des fluides, usure, adhésion etc.). D’un point de vue fondamental, nous aurons développé un nouveau modèle mécanique du cytosquelette. L’intégration dans ce modèle du réseau de fibres d’actine en 3D à partir d’images du cytosquelette de cellules cultivées sur les surfaces sinusoïdales donnera un modèle parfaitement original capable de gérer la déformation cellulaire sur des surfaces texturées. Ce modèle devrait avoir un grand nombre d’applications dans la prédiction de la déformation cellulaire sur une grande gamme de surfaces allant de surfaces modèles avec une distribution anisotrope de motifs géométriques à des surfaces d’implants réelles présentant une topographie isotrope et aléatoire.
Résultats : Des simulations sont faites avec un modèle prédictif l’adhésion d’une cellule sur une bosse isolée avec une densité fixe de fonctions ajoutées (largeurs 100µM, hauteur 12µm). La cellule envoie des bras dans toutes les directions avec des points focaux au bout. Le noyau s’écrase quand la cellule s’étend à cause du nucléosquelette et des filaments intermédiaires qui entourent le noyau. Un développement d’un modèle biomimétique à partir des images standards est fait. Il calcule les forces sur les images à partir des adhésions focales. Il essaie de rajouter les forces de compression liées aux microtubules, au cytoplasme. L’objectif final est d’optimiser la structure de la cellule. 
Cependant nous avons besoin d’image statique avec si possible des marquages d’actine, microtubules et filaments intermédiaires.YAP/TAZ peut être utilisé sur cellules fixées pour visualiser celles qui étaient sous contrainte.
Il a été montré par K. Anseth qui a mis en évidence une sorte de mémoire mécanique des cellules. Les cellules souches qui ont été cultivées un temps long sur un substrat rigide perdent leur capacité de répondre à la rigidité du substrat. Le LBTO Il a travaillé sur le Vinculin Tensor (disponible dans la banque Addgen) qui permet de visualiser par FRET les points focaux. Des essais pour déterminer les clones de cellules qui l’expriment le plus. Pour l’instant, il ne s’agit que de transfection transitoire. Nous avons utiliser la réplication en PDMS des surfaces électro-érodées et de surface sinus. Il a été testé le revêtement préalable des surfaces par du silane ou pas. Nous avons montré (publication acceptée) que les défauts nanométriques sont répliqués par PDMS. Quand x=y  pour les défauts nanométriques, la réplication est facile, par contre, quand x>>>y, la réplication devient beaucoup moins facile. La préparation optimale du PDMS fera l’objet d’une publication.
Perspectives : * création finale des surfaces sinusoïdales
* suivi fret de l’adhésion
* modélisation par DEM de l’adhésion sur surface sinusoïdale
* étude contraintes résiduelles
Publications et brevets : Brevet en cours de dépôts
3 publications acceptées