Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Sham TLILI effectuée sous la direction de François Graner et Hélène Delanoë-Ayari.

Soutenance le vendredi 16 octobre 2015 à 10h00.

Lieu : Salle 454A du Bâtiment Condorcet.

Biorhéologie in vitro : de la cellule au tissu

Biorheology in vitro : from cell to tissue

Résumé

Afin de mieux comprendre comment les tissus embryonnaires fluent et se déforment pendant la morphogenèse sous l’effet des forces actives générées au sein de l’embryon, il est important de comprendre quelle est la relation entre les événements mécaniques ayant lieu à l’échelle cellulaire et l’émergence de propriétés mécaniques macroscopiques d’un tissu. Afin de mieux comprendre cet aspect, nous avons développé au cours de cette thèse des expériences de rhéologie sur des tissus formés in vitro, qui sont des systèmes modèles pour étudier les propriétés mécaniques de tissus similaires aux tissus embryonnaires.

Dans un premier temps, nous étudions l’origine microscopique de la viscosité effective d’agrégats cellulaires, qui sont des sphères auto-agrégées de cellules adhérentes. Pour cela, nous aspirons ces agrégats à travers des canaux microfluidiques afin que le tissu se déforme. Grâce à l’imagerie biphotonique, nous avons accès aux contours cellulaires, ce qui nous permet de quantifier les déformations et réarrangements cellulaires au cours de l’aspiration.

Dans un second temps, nous étudions le mouvement collectif de monocouches cellulaires, qui sont des tissus bidimensionnels. Nous regardons comment est modifiée la migration collective d’une monocouche confinée dans une bande adhérente, lorsque les cellules rencontrent un obstacle non adhérent. L’étude du contournement de l’obstacle par le tissu nous renseigne sur les propriétés mécaniques de la monocouche.

Dans les deux expériences décrites précédemment, les cellules subissent des gradients de vitesse importants et hétérogènes dus à la géométrie imposée du flot. L’analyse quantitative de ces expériences nous permet d’établir des analogies entre le comportement mécanique des tissus in vitro et celui d’un matériau cellulaire amorphe, tout en soulevant les différences dues à l’activité biologique.

En parallèle de ces expériences, nous avons développé un formalisme mécanique permettant de dériver des équations constitutives décrivant la rhéologie des tissus, écrites en fonction de variables intra et intercellulaires. Ces variables sont en effet les variables naturelles qui émergent lors de la quantification de nos expériences. Notre formalisme est une boîte à outils qui permet d’intégrer de façon cohérente différents ingrédients mécaniques et non mécaniques rencontrés dans les tissus tant in vitro que in vivo.

Abstract

To understand how embryonic tissues flow and deform in response to active forces generated during morphogenesis, it is necessary to understand the link between mechanical events at the cellular scale and the macroscopic mechanical properties of the tissue. For that purpose, we have chosen in this thesis to perform rheology experiments on in vitro cell assemblies, which are established model systems to study the mechanics of embryonic-like tissues.

First, we study the microscopic origin of the effective viscosity of cellular aggregates, that are three-dimensional self-assembled spheres of adherent cells. For that, we aspire aggregates through a narrow hole in a microfluidic channel. Using two-photon microscopy, we quantify the dynamics of individual cell deformation and cell rearrangements during the tissue deformation.

Second, we study the collective movement of cell monolayers, that are bidimensional tissues. We look at how collective migration of a cell monolayer in a confined strip is disturbed by a circular obstacle placed in the middle of the strip. Quantifying the tissue flow and deformation around the obstacle gives insights on the monolayer mechanical properties.

In these two experiments, cells undergo strong and heterogeneous velocity gradients due to set-up geometry. Quantitatively analyzing these experiments enables us to determine whether the mechanical behaviour of a cell assembly displays analogies with that of cellular materials known in physics, and what are its specificities directly related with cell activity.

In parallel, we developed a mechanical formalism allowing to write constitutive mechanical equations in terms of intracellular and intercellular variables, that are the canonical variables that we quantify in experiments. This formalism is a toolbox that enables to integrate consistently several mechanical and non-mechanical ingredients encountered in both in vitro and in vivo tissues.