Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Alexandre SOUCHAUD effectuée sous la direction de François GALLET (MSC) et François GRANER (MSC).

Soutenance le jeudi 17 décembre à 14h00.

Lieu pour le jury : bâtiment Condorcet, amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes (niveau -1).\\ Le public est invité à suivre la soutenance par visioconférence, détails à venir.

Cartographie Des contraintes mécaniques in situ dans les tissus vivants

Capteur de contrainte en PDMS mou, marqué par fluorescence (rouge), inséré dans la plaque pré-chordale de l’embryon du poisson zèbre (vert).

Résumé :

Les contraintes mécaniques dans les tissus sont aujourd’hui au centre de beaucoup d’études permettant une meilleure compréhension des systèmes vivants. Ainsi, une étude quantitative sur l’impact des effets mécaniques sur le développement des tissus vivants nécessite une connaissance précise des contraintes mécaniques, de l’échelle subcellulaire à l’échelle tissulaire.

Dans ce travail, je décris une nouvelle méthode permettant une mesure directe de la distribution des contraintes de cisaillement dans un tissu vivant. La technique consiste à utiliser des micro-capteurs sphériques d’une trentaine de microns de diamètre (ordre de grandeur d’une taille cellulaire), constitués d’un gel de PDMS, élastique et déformable. Le micro-capteur est inséré dans le tissu dans le but de mesurer les contraintes de cisaillement locales.

Un marquage fluorescent du PDMS a été développé afin de pouvoir imager les capteurs en 3D dans les tissus. Ensuite, grâce à une méthode informatique de contour actif, le contour du capteur peut être détecté. Un ajustement de ce contour par un ellipsoïde permet de déterminer les déformations et les orientations principales du capteur dans le tissu. Connaissant les propriétés mécaniques du gel élastique, le tenseur des contraintes de cisaillement peut être directement déduit des déformations du capteur.

Un étalonnage des propriétés élastiques du gel à l’échelle macroscopique a été réalisé à l’aide d’une étude rhéométrique classique. Une calibration indépendante in situ dans des agrégats sphériques a également été effectuée. Les deux calibrations ont fourni des résultats similaires : le module d’Young est d’environ 1500 Pa (comparable à celui d’une cellule). Ainsi, de la connaissance des caractéristiques mécaniques du gel, il est possible d’effectuer une mesure absolue de la contrainte de cisaillement sans aucun modèle mécanique du tissu.

Les micro-capteurs ainsi développés ont été testés dans des études in vitro et in vivo.

L’étude in vitro dans les agrégats cellulaires sphériques au cours de leur étalement a permis d’établir une première carte des contraintes de cisaillement dans les agrégats. Elle a mis en évidence les orientations préférentielles radiales et orthoradiales des directions des contraintes de cisaillement. Également, on observe une variation de la norme de la contrainte de cisaillement totale le long du rayon de l’agrégat.

Une étude exploratoire in vivo chez l’embryon de poisson zèbre a également permis d’établir une cartographie préliminaire des contraintes de cisaillement développées dans la plaque pré-chordale différents stades de l’épibolie.

Ces deux résultats permettent de conclure sur la capacité des micro-capteurs développés d’établir la carte spatio-temporelle des contraintes de cisaillement dans les tissus vivants.

Abstract :

Measuring the mechanical stresses in a living tissue is critical to link the development with the spatial and temporal distribution of forces. A quantitative study about the impact of mechanical effects on morphogenesis requires a precise knowledge of mechanical stresses, from the subcellular scaleto the tissue scale.

In this work, I describe an original method enabling for a direct measurement of the stress distribution within a living tissue. The technique consists in using micro-beads (30 ¹mof diameter, similar to a cell size), made of a soft elastic PDMS (Young’s modulus ’ around 1500 Pa, similar to a cell rigidity), embedded in the tissue, asmicrometric sensors of local stresses. An efficient fluorescent labelling of the PDMS has been developed in order to image the captors in 3D in the tissues.Then, through an active contour method, the captor border is reconstructed and fitted with an ellipsoid. Knowing the mechanical properties of the elastic gel,the shear stress tensor can be directly retrieved from the captor deformations.

A first calibration of the bulk gel elastic properties has been performed with a classical rheometer. Another independent calibration has been performed in situ cell aggregates. Both calibrations have yielded similar results and enable for absolute measurements of the shear stress without requiring any mechanical model for the tissue.

The captors have been used for both in vitro and in vivo studies.

The in vitro study in cell aggregates has enabled to map, at successive times, the shear stress within the aggregate. These results highlighted preferential radial andorthoradial orientations of the shear stress main directions. Besides, one observed a variation of its norm along the aggregate’s radius.

An exploratory study in vivo in the zebrafish embryo has also enabled to map the shear stress developed into the pre-chordal plate during epiboly.

Both these results permit to conclude on the efficiency of the developed micro-captors to establish spatio-temporal maps of the shear stress within living tissues.