Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Florian Fage effectuée sous la direction de Atef Asnacios.

Soutenance le mercredi 28 novembre 2018 à 10 heures.

Lieu : bâtiment Condorcet, Amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes (PGG, niveau -1). La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage.

Effets de la géométrie d’étalement cellulaire sur les propriétés mécanobiologiques des fibres de stress

Résumé :

Les cellules animales sont mécanosensibles et de nombreux processus fondamentaux comme la morphogenèse ou la cicatrisation impliquent des brisures de symétrie qui pourraient être induites, au moins en partie, par des signaux mécaniques. En particulier, les fibres de stress, assemblage contractile d’actine et de myosine, peuvent s’orienter et se polariser en réponse à des contraintes mécaniques. Fait intéressant, in vivo, des structures similaires d’actomyosine sont recrutées dans des processus morphogénétiques fondamentaux comme la gastrulation, qui mettent en jeu de grandes déformations cellulaires et des distributions de contraintes mécaniques orientées et localisées spatialement. Nous nous sommes donc posé la question de savoir comment les contraintes géométriques sur la forme cellulaire, et les contraintes mécaniques qui les accompagnent, pouvaient moduler les propriétés mécanobiologiques des fibres de stress : composition en actine et myosine, rayons de courbure des fibres périphériques et tension générée dans ces fibres. À cette fin, nous avons conçu un dispositif expérimental combinant micropatrons 3D pour le contrôle de la géométrie d’étalement de cellules uniques, microscopie de fluorescence et mesure de la tension développée dans une fibre de stress isolée. Une conception originale des micropatrons nous a permis de travailler de manière systématique, ne faisant varier qu’un paramètre (géométrique) de contrôle à la fois. Nous présentons ici les premiers résultats obtenus sur des fibroblastes primaires humains. Nous verrons en particulier les effets de la longueur libre (longueur entre deux points d’attache séparés par un espace non adhésif) et de l’anisotropie de la forme cellulaire sur la composition en actine et en myosine de la fibre de stress, ainsi que sur sa tension et son rayon de courbure. Nous verrons également que les mesures de tensions et de rayons de courbure nous ont permis d’estimer la valeur de la tension corticale, et de déduire qu’elle deviendrait anisotrope à mesure que la forme globale de la cellule le devient. Ceci est à mettre en relation avec le paramètre d’ordre d’orientation des fibres de stress intracellulaires dont nous avons montré qu’il croissait avec l’anisotropie.

Mots-clés : Mécanique cellulaire, fibres de stress, microrhéologie, micropatrons, anisotropie de tension, mécano-sensibilité, polarisation.

Abstract :

Animal cells are mechanosensitive and many fondamental processes like morphogenesis or wound healing imply symmetry breaking events which could be induced, at least in part, by mechanical cues. In particular, stress fibers, a contractile assembly of actin and myosin, can orient and polarize upon mechanical stress. Interestingly, in vivo, similar actomyosin structures are recruited in fondamental morphogenetic processes like gastrulation, which imply high cellular deformations and spatially located and oriented mechanical loads. We therefore asked ourselves how geometric constraints on the cellular form, and the mechanical constraints that accompany them, could modulate the mechanobiological properties of stress fibers : actin and myosin composition, peripheral fiber curvature radii and tension generated in these fibers. To this end, we have designed an experimental device combining 3D micropatterning for the control of single cell spreading geometry, fluorescence microscopy and tension measurement developed in an isolated stress fiber. An original design of our micropatterns allowed us to work in a systematic way, varying only one (geometrical) control parameter at a time. Here we present the first results obtained on human primary fibroblasts. We will see in particular the effects of the free length (length between two attachment points separated by a non-adhesive space) and the anisotropy of the cellular form on the actin and myosin composition of the stress fiber, as well as on its tension and radius of curvature. We will also see that the measurements of tension and radii of curvature allowed us to estimate the value of the cortical tension, and to deduce that it would become anisotropic as the global shape of the cell becomes anisotropic as well. This is related to the orientation order parameter of intracellular stress fibers which we have shown to increase with anisotropy.

Key-words : Cell mechanics, stress fibers, microrheology, micropatterns, tension anisotropy, mecha- nosensing, polarization.