Imagerie quantitative par acoustique picoseconde de l’adhésion de cellules individuelles sur biomatériaux – PicoBond

Ce projet propose de développer une technique opto-acoustique innovante pour imager de façon quantitative l’adhésion cellulaire sur des biomatériaux fonctionnalisés avec des principes actifs. La résolution micrométrique permettra d’imager l’adhésion hétérogène de chaque cellule considérée individuellement. La technique opto-acoustique ne perturbe pas la cellule puisqu’elle est non invasive et sans contact.

L’adhésion de cellules sur des biomatériaux joue un rôle crucial dans la réponse des tissus aux implants, ainsi que dans la régénération tissulaire, l’adhésion influant sur la morphologie des cellules, leur prolifération ainsi que sur leur différentiation. Afin d’optimiser l’intégration des implants, il est donc essentiel de comprendre et de contrôler les interactions biophysiques intervenant dans l’adhésion cellulaire. Cependant, mesurer à l’échelle micronique les propriétés adhésives de cellules biologiques, constitue encore aujourd’hui un véritable défi.

Dans la configuration expérimentale que nous proposons, la cellule est greffée sur une couche mince de titane déposée sur un substrat transparent. L’absorption d’une impulsion laser femtoseconde induit une onde ultrasonore GHz se propageant dans la couche mince perpendiculairement aux interfaces. Nous pouvons alors accéder localement au coefficient de réflexion acoustique à l’interface entre la couche mince et la cellule. Ce coefficient contient une information quantitative sur l’adhésion, et peut être converti en une raideur d’interface. Cependant, l’imagerie opto-acoustique GHz, était jusqu'à récemment limitée car la mesure des signaux nécessitait l’emploi de techniques expérimentales d’échantillonnage optique forcément très lentes. Nous avons mis en œuvre une technique très différente qui permet de réduire d’un facteur 10000 le temps d’acquisition de chaque signal acoustique, ce qui ouvre la voie à l’imagerie opto-acoustique quantitative.

Une étape préliminaire à ce projet consiste à étudier l’adhésion contrôlée d’objets mimant la cellule, dont nous mesurerons également les propriétés viscoélastiques, pour qualifier et calibrer la mesure opto-acoustique de l’adhésion. Ce travail est en cours avec un financement obtenu par ailleurs (PEPS CNRS-Idex Bordeaux).

Les étapes successives proposées au financement de l’ANR portent d’abord sur des cellules modèles dont l’adhésion est d’inhomogéneité croissante. Nous utiliserons des monocytes dont la forme et la taille sont semblables à celles des microcapsules biomimétiques, et dont l’adhésion est uniforme sur la surface de contact. Des mesures d’adhésion seront réalisées le long d’une ligne, ce qui nécessite une adaptation d’un dispositif expérimental actuel. Puis, l’adhésion de cellules ostéoclastes sera étudiée. Elles ont la particularité d’adhérer au moyen de podosomes répartis sur la périphérie circulaire de la cellule. Nous réaliserons une adaptation de notre dispositif opto-acoustique d’imagerie bidimensionnelle et introduirons les faisceaux lasers dans un microscope commercial, qu’il faudra adapter et équiper en imagerie de fluorescence. Nous pourrons alors confronter nos images quantitatives de la grandeur mécanique représentative de l’adhésion aux images qualitatives des zones d’adhésion obtenues par microscopie de fluorescence.

Nous serons alors en mesure d’imager l’adhésion inhomogène d’une cellule ostéoblastique sur un biomatériau. Les cellules seront greffées sur des matériaux dont la surface aura été fonctionnalisée avec différents principes actifs. Nous imagerons l’évolution de l’adhésion au niveau des points focaux et mesurerons simultanément la compressibilité cellulaire, mesure dont nous avons acquis l’expérience au cours de travaux antérieurs. Cette recherche devrait permettre d’optimiser la quantité de peptides à greffer sur la surface du biomatériau pour favoriser l’adhésion, et aussi d’analyser la signalisation cellulaire à travers les modifications du cytosquelette induites par l’adhésion.