Les cellules sont-elles chatouilleuses ?

Publié par Redbran le 19/06/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des micro-piliers en fer actionnables par un champ magnétique ont été incorporés dans une fine couche d'élastomère afin d'exercer sur des cellules des contraintes voisines de celles du milieu in vivo. Le dispositif enregistre à la fois la réponse mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) et la réponse biochimique des cellules et permet d'en suivre l'évolution spatio-temporelle à une échelle sub-cellulaire.



Haut: Schéma d'une cellule adhérente (en vert) sur le substrat élastomère contenant des micropiliers en fer et des billes fluorescentes (en rouge). B symbolise le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) permettant d'actionner le pilier (Un pilier est un organe architectural sur lequel se concentrent de façon ponctuelle les charges de la superstructure (par exemple les charges d'une charpente ou celles des maçonneries des niveaux supérieurs). Contrairement...). Milieu: Visualisation en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) de la cellule (marqueur fluorescent vert) et des billes (en rouge). Bas: Carte des contraintes mécaniques montrant les zones que la cellule a renforcées (rouge) et celles qu'elle a relâchées (bleu) après la stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action, qui est transmis par...) mécanique. Le contour de la cellule avant (cyan) et après (magenta) la stimulation de la cellule montre l'apparition une protubérance (en haut sur l'image). © LIPhy (CNRS/UGA/Grenoble INP)

Des micro-piliers en fer actionnables par un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique ont été incorporés dans une fine couche d'élastomère afin d'exercer sur des cellules des contraintes voisines de celles du milieu in vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par opposition à in vitro ou ex vivo. Les essais...). Le dispositif enregistre à la fois la réponse mécanique et la réponse biochimique des cellules et permet d'en suivre l'évolution spatio-temporelle à une échelle sub-cellulaire.

L'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) in vivo des cellules exercent sur elles des contraintes mécaniques qui varient, provoquant des réponses biochimiques intracellulaires: c'est ce qu'on appelle la mécanotransduction. Les cellules sont ainsi capables d'adapter en fonction de leur environnement des fonctions essentielles telles que la migration, la prolifération ou la différenciation. Un mauvais fonctionnement de la mécanotransduction est impliqué dans un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) varié de pathologies, cardiaques, osseuses ou cancéreuses par exemple.

Des travaux antérieurs in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule. Un exemple est la...) destinés à mieux comprendre les mécanismes de la mécanotransduction ont déjà montré la sensibilité des cellules aux aspects spatiaux et temporels d'un stimulus mécanique. L'objectif ici est de se rapprocher des contraintes mécaniques de l'environnement cellulaire et d'étudier la coordination spatio-temporelle des signaux mécaniques et biochimiques de la cellule.

Une collaboration entre des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) Néel (CNRS/UGA/Grenoble INP) et des biophysiciens du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) (UGA/CNRS) a permis de développer des substrats magnéto-actifs capables d'appliquer ce type de contraintes aux cellules qu'ils supportent et de mesurer simultanément la réponse mécanique des cellules et la réponse optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de marqueurs biochimiques. Pour réaliser ces substrats magnéto-actifs, des micro-piliers en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) recouvert de fer doux magnétique (les dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...) sont de l'ordre de la dizaine de micromètres) sont insérés dans une couche d'élastomère formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) ainsi un substrat continu dont la rigidité est voisine de celle du milieu cellulaire in vivo. Grâce à une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'électroaimants, le substrat peut être déformé localement, chaque pilier exerçant des forces de compression ou de traction de l'ordre de grandeur des forces cellulaires in vivo. A l'aide d'un microscope à épifluorescence, on mesure en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel la position de billes fluorescentes préalablement introduites dans le substrat. L'analyse des déplacements des billes fournit alors l'ensemble des contraintes mécaniques exercées par le pilier et par la cellule.

Les chercheurs ont montré que les cellules sont chatouilleuses: juste après une stimulation mécanique, les cellules sont agitées. Via la mécanotransduction, elles réagissent à la contrainte et se déforment localement, agissant en retour elles-mêmes sur leur environnement . La preuve de concept du suivi spatio-temporel sur une cellule vivante par l'enregistrement simultané via le microscope à la fois de la réponse mécanique (par la fluorescence des billes du substrat) et de la réponse biochimique (par la fluorescence de marqueurs intracellulaires) a été faite.

Ces substrats magnéto-actifs ouvrent ainsi la voie à des études plus quantitatives dans le but de comprendre la coordination spatio-temporelle des signaux mécaniques et biochimiques lors de la mécanotransduction.

Référence publication:
Magneto-active substrates for local mechanical stimulation of living cells
Bidan C.M., Fratzl M., Coullomb A., Moreau P., Lombard A.H., Wang I., Balland M., Boudou T., Dempsey N., Devillers T. & Dupont (DuPont, de son nom complet E.I. du Pont de Nemours et compagnie, est une entreprise américaine, fondée en juillet 1802 à Wilmington, dans le Delaware, par Eleuthère Irénée du Pont de Nemours.) A.
Scientific Reports (2018), doi:10.1038/s41598-018-19804-1
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Contact chercheuse:
Aurélie Dupont, chargée de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Laboratoire interdisciplinaire de physique (LIPhy, CNRS/UGA)
Institut Néel (CNRS/UGA/Grenoble INP)
Laboratoire de génie électronique de Grenoble (G2Elab, CNRS/UGA/Grenoble INP))
Laboratoire des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et du génie physique (LMGP, CNRS/Grenoble INP)
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