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JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5)
Edition 2011


LuSt


le vivant sous étirement : de la cellule unique au tissu

Le vivant sous étirement : de la cellule unique au tissu
Les organismes vivants sont sensibles à leur environnement mécanique et adaptent leur activité en réponse aux sollicitations. La croissance d’un embryon génère à la fois des réarrangements cellulaires individuels et collectifs. De ce fait, une compréhension complète du rôle des forces appliquées au vivant en particulier au développement des tissues demande une étude quantitative, d’une part, à l’échelle de la cellule unique et, d’autre part, à l’échelle du tissu entier.

Dissection du mécanisme du réarrangement cellulaire au sein d’un tissu via des systèmes modèles.?
L’en jeu de se projet est d’évaluer le rôle de la tension dans la réorganisation spatiale de cellules durant la croissance d’un tissu et d’identifier les principaux acteurs biologiques dans la réponse cellulaire. Le Cytosquelette au niveau intracellulaire et les molécules d’adhésion, les cadhérines, au niveau intercellulaires apparaissent comme les éléments clefs. A l’échelle intra cellulaire, notre objectif est de comprendre la réponse passive et active du cytosquelette en réponse à une déformation externe. A l’échelle cellulaire, nous voulons comprendre le réarrangement spatiotemporel d’une jonction à 4 cellules. Nous appliquerons finalement les connaissances acquises précédemment afin de comprendre le réarrangement cellulaire à l’échelle d’un tissu.
A la différence des études effectuées in vivo observant la réponse naturelle d’un tissu, nous proposons d’introduire artificiellement une sollicitation externe modélisant les mouvements au sein d’un tissu. Plus pratiquement notre but est d’imposer une déformation à des systèmes model de la cellule au tissu. En quantifiant la réponse et en utilisant des modèles physiques, nous tenterons de caractériser les propriétés mécaniques de ces systèmes.

Conception des systèmes modèles
Une des principales difficultés scientifiques consiste à définir un système modèle assez simple pour permettre la quantification et la modélisation mais aussi, assez complexe englobant la physique d’un tissu réel. Nous proposons comme système fondamental une jonction cellulaire minimale composée de 4 cellules, incluant les ingrédients clés de la mécanique des tissus, la réponse du cytosquelette ainsi que la réorganisation via une transition T1. Les expériences sont effectuées en alliant la déformation d’un substrat et le micropatterning afin de reproduire en parallèle une jonction cellulaire.

Résultats

Au cours des 6 premiers mois, nous sommes concentrés sur la réponse d’une cellule unique à une déformation imposée. Pratiquement, un étireur maison a été conçu en le couplant à un élément piezo électique. A l’aide d’une technique de micro-impression, nous sommes capables d’adhérer des centaines de cellules adoptant la même silhouette. Ainsi chaque cellule forme un agencement caractéristique du cytosquelette, i.e. fibres d’acto-myosine, permettant une reproductibilité accrue des expériences d’extension et de compression.
Au contraire d’un matériau purement élastique, nous avons pu mettre en évidence une réponse différente en extension ou compression. En modélisant le faisceau d’acto-myosine, nous sommes capables de reproduire la réponse mécanique observée.
Concernant la conception du système modèle de junction cellulaire à quatre cellules, Manuel Thery (iRTSV, Grenoble) nous avons fourni divers motifs de tailles variables afin de les tester sur le matériel cellulaire fourni par l’équipe de Matthieu Piel (UMR144) et Sylvie Dufour (UMR144, Paris)

Afin d’établir un modèle cohérent des expérience effectuées sur la réponse d’une cellule unique à une déformation imposée, nous avons développé un partenariat avec l’équipe de Roberto Bernal (Santiago, Chili)

Perspectives

Pour la partie cellule unique, nous sommes convaincus qu’obtenir des informations sur la force exercée par la cellule pour une déformation est essentiel. Nous développons une expérience alliant déformation et mesure de force à l’aide de gel de polyacrylamide.

Productions scientifiques et brevets

Une publication est en cous de rédaction sur la réponse d’une cellule unique à une déformation imposée

Partenaires

IC INSTITUT CURIE

Aide de l'ANR 300 000 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2012 - 36 mois

Résumé de soumission

Les organismes vivants sont sensibles à leur environnement mécanique et adaptent leur activité en réponse aux sollicitations. En particulier l’embryogenèse implique des changements dynamiques permettant de former l’embryon. La croissance génère à la fois des réarrangements cellulaires individuels et collectifs. De ce fait, une compréhension complète du rôle des forces appliquées au vivant en particulier au développement des tissues demande une étude quantitative, d’une part, à l’échelle de la cellule unique et, d’autre part, à l’échelle du tissu entier. À l’échelle de la cellule unique, de nombreuses études quantitatives sur les mécanismes de réponse à des sollicitations externes ont été réalisées en utilisant une approche multidisciplinaire combinant la physique et la biologie. En revanche, les études quantitatives de tels mécanismes à l'échelle des tissus restent rares. Le présent projet propose une étude biophysique quantitative sur la manière dont les cellules sentent et exercent les forces et les contraintes dans le contexte de la biologie du développement. Nous étudierons les différentes échelles pertinentes en commençant par l’échelle de la cellule puis en s’intéressant aux réarrangements multicellulaires à l’échelle du tissu.

Dans le but de comprendre les questions relevantes à la fois physiques et biologiques, une étude expérimentale sur la réponse cellulaire aux déformations doit apporter des informations quantitatives et statistiques de manière signifiante. Dans ce dessein, nous développerons un nouveau système d’étirement complètement automatisé. Celui-ci nous permettra d’établir efficacement un grand nombre simultané d’observations. Afin de comprendre les principaux aspects de la mécanique des tissus, nous allons appliquer notre dispositif à un système modèle constitué d'une jonction cellulaire minimale composée de quatre cellules en contact. Un tel système modèle est suffisant simplifié pour obtenir des informations quantitatives de la mécanique des tissus, car il conserve les ingrédients clés, à la fois à l'échelle intracellulaire (réponse du cytosquelette) et à l'échelle intercellulaire (réorganisation des cellules).

Le projet suivra une approche “bottom-up” à travers trois échelles pertinentes: la cellule unique, la jonction intercellulaire et les tissus. A chaque échelle, nous appliquerons notre nouveau dispositif d’étirement pour étudier à la fois la réponse mécanique et les acteurs concernés dans les voies biologiques de mécano transduction. Au niveau d'une seule cellule, nous étudierons par déformation les changements de forme cellulaire, la réorganisation du cytosquelette, notamment la réponse du complexe acto-myosine, et le rôle de la tension de membrane. À une échelle intermédiaire de la jonction intercellulaire, nous étudierons la statique et la dynamique d'une transition T1cellulaires induite par étirement, et nous déterminerons le rôle du cytosquelette et des protéines d’adhésion, les cadhérines, dans la dynamique de réorganisation cellulaire. Enfin, nous appliquerons à l'échelle du tissu les connaissances acquises au cours de ce projet afin de répondre à une question ouverte fondamentale : comment la réponse mécanique à l'échelle du tissu, caractérisée par le module d'Young et une viscosité effective, est reliée aux réponses biologiques et mécaniques à l'échelle de la cellule (réarrangement cellulaire, réorganisation du cytosquelette)? Notre projet permettra ainsi d'obtenir des idées plus précises concernant cette question clé reliant le microscopique au macroscopique.

 

Programme ANR : JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5) 2011

Référence projet : ANR-11-JSV5-0004

Coordinateur du projet :
Monsieur DAMIEN CUVELIER (INSTITUT CURIE)
damien.cuvelier@nullcurie.fr

 

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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.