Tissus biologiques: voici comment le collectif peut prendre le pas sur l'individuel

Publié par Adrien le 22/02/2021 à 09:00
Source: CNRS INSB
Beaucoup de tissus biologiques sont composés de cellules épithéliales qui fonctionnent collectivement. Ces cellules adhèrent à la matrice extracellulaire et à leurs voisines en transmettant des forces mécaniques. Cette mécanique de l'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle particulièrement important dans la morphogénèse, la progression tumorale ou encore la cicatrisation. Les monocouches de cellules épithéliales présentent des propriétés d'alignement analogues à celles des cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide...).

En utilisant cette analogie, les chercheurs ont montré que l'organisation (Une organisation est) des monocouches épithéliaux résultait du couplage entre les forces exercées au niveau de la matrice extracellulaire et sur les cellules voisines. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.


Figure: Régulation des interactions mécaniques au sein de monocouches cellulaires.
a: Distribution des forces au sein d'une cellule isolée ;
b: Répartition des forces et nature de l'état de tension (La tension est une force d'extension.) résultant des cellules en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) ;
c: Auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...) et Ségrégation cellulaire au sein de mélanges de cellules présentant des adhésions intercellulaires différentes (faibles en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) et fortes en vert). Barre d'échelle = 20 um.
© Lakshmi Balasubramaniam & Benoit Ladoux

De nombreux processus biologiques dépendent de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) collective des cellules, de la façon dont elles interagissent les unes avec les autres. Des changements dans la façon dont les cellules adhèrent entre elles et à la matrice sont impliqués dans des mécanismes développementaux essentiels comme la formation et le modelage des tissus, mais aussi dans des mécanismes pathologiques comme la progression tumorale. Ces interactions transmettent des forces mécaniques développées par les cellules. Il en résulte que la nature des forces mises en jeu est importante pour caractériser l'organisation, le type et le devenir des tissus biologiques.

Au sein des tissus, les cellules individuelles ont bien souvent des formes plutôt allongées et s'alignent localement à la manière d'une classe de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) inertes bien connue: les cristaux liquides nématiques (l'état nématique est intermédiaire entre phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) et cristalline). Les monocouches cellulaires peuvent donc être décrites comme des matériaux nématiques, mais actifs, dans lesquels les moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) moléculaires assurent le mouvement cellulaire. Pour des cellules individuelles isolées, les forces exercées sur la matrice se présentent généralement comme des forces opposées qui tirent vers l'intérieur de la cellule le long de son grand axe (En géométrie, le grand axe d'une ellipse est un paramètre utilisé pour décrire la dimension de...). Pourtant, au niveau collectif dans des épithéliums, le comportement nématique du système est modifié, et cette organisation disparaît pour laisser place à des forces de poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) le long du grand axe.

Dans le cadre d'une collaboration internationale avec le Mechanobiology Institute" (Singapore), l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Oxford (UK) et le Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark -...) Institute (Danemark),les chercheurs ont étudié l'impact de l'adhésion cellulaire sur la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de ces systèmes nématiques actifs et notamment sur les singularités d'alignement qui en résultent, appelées défauts topologiques. Cette étude pour comprendre ces changements entre l'individuel et le collectif montre que le changement du comportement nématique est la signature de la compétition entre les forces générées au niveau de la matrice et celles générées aux contacts intercellulaires. Une perte d'adhésion entre cellules induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...), par exemple, un renforcement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) au niveau de la matrice qui modifie le comportement collectif des cellules.

Dans les années 1960, M. Steinberg proposait que le mouvement des cellules au sein d'un tissu et leur ségrégation était liée à la minimisation de la tension interfaciale, un mécanisme bien connu dans les bulles. Ces nouveaux travaux proposent une hypothèse alternative et montrent que la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) de populations cellulaires peut s'expliquer par l'émergence de comportements nématiques différents modulés par les propriétés d'adhésion.

Ce travail pluridisciplinaire à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre la biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils...) et la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) cellulaire propose un nouveau cadre pour comprendre l'auto-organisation des tissus basée sur l'analogie avec des cristaux liquides actifs nématiques et la nature des forces internes.

Pour en savoir plus:

Investigating the nature of active forces in tissues reveals how contractile cells can form extensile monolayers
Lakshmi Balasubramaniam L, Amin Doostmohammadi A, Thuan Beng Saw T, Gautham Hari Narayana Sankara Narayana, Romain Mueller, Tien Dang, Minnah Thomas, Shafali Gupta, Surabhi Sonam, Alpha S. Yap, Yusuke Toyama, René-Marc Mège, Julia M.Yeomans, Benoit Ladoux.
Nature Materials 18 février 2021, https://doi.org/10.1038/s41563-021-00919-2

Laboratoire

Institut Jacques Monod (Jacques Monod, né à Paris le 9 février 1910 et mort à Cannes le...) (IJM) - (Université de Paris/CNRS)
Batiment Buffon, 15 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux...) Hélène Brion.
75205 Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) cedex 13.
France.
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