Mécano-sensibilité cellulaire : adaptation physique à la rigidité

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Mécano-sensibilité cellulaire : adaptation physique à la rigidité Encadré 1 Appareil contractile, complexes d’adhésion et signalisation locale Les cellules vivantes exercent des forces de traction sur leur substrat. Ces forces sont générées par des complexes contractiles. Ces complexes sont constitués de filaments d’actine et de moteurs moléculaires (myosine). Les myosines, assemblées tête-bêche, font glisser les filaments d’actine les uns par rapport aux autres et induisent ainsi la contraction de l’ensemble de la fibre. Cette contraction des complexes d’actine et de myosine au sein d’une cellule isolée repose sur le même principe que celle des fibres musculaires mais ne présente pas la même organisation cristalline que dans le muscle. Les forces générées par ces structures intracellulaires sont transmises à l’environnement au travers de complexes protéiques d’adhérence (figure E1). La figure E2 décrit schématiquement la manière dont l’adaptation cellulaire à la rigidité est généralement pensée. Sur substrat mou, la contractilité cellulaire se traduirait essentiellement par une grande déformation du substrat, de faibles forces générées et de faibles déformations des adhésions. En revanche, sur substrat rigide, faiblement déformable, les forces générées par la cellule induiraient des déformations importantes de certaines protéines des complexes adhésifs. Ces protéines, en se déformant, révèleraient des sites de phosphorylation (addition d’un groupe phosphate qui change la réactivité chimique de la protéine) et déclencheraient ainsi des cascades chimiques de régulation de l’activité cellulaire. Ces cascades induiraient, en retour, une augmentation de la contraction cellulaire (rétroaction positive). Figure E1 – Schéma de la machinerie permettant à la cellule de déformer son substrat. Les générateurs de force (vert) sont constitués d’assemblages d’actine et de myosine. Comme dans les muscles, les mouvements relatifs des deux espèces génèrent la contraction. Les forces sont transmises à l’environnement via des complexes protéiques d’adhérence. Ces complexes sont formés de nombreuses molécules (rose) qui font le lien entre les protéines transmembranaires (rouge) et les fibres contractiles (vert). Figure E2 – Représentation schématique du rôle des complexes d’adhésion comme déclencheurs de la réponse à la rigidité. cellulaire semble être sensible à son environnement mécanique et, notamment, à la rigidité des tissus. Des expériences en laboratoire ont par exemple montré que des cellules qui migrent sur des substrats synthétiques de rigidité anisotrope dans le plan s’orientaient préférentiellement suivant la direction de plus grande rigidité 1 . Cette sensibilité des cellules à la rigidité de leur substrat n’est pas qu’une curiosité de laboratoire. Des chercheurs ont en effet tenté de soigner des patients victimes d’infarctus en injectant des cellules souches dans le tissu 1. Voir « Images de la Physique » 2007 : L’adhésion cellulaire, une sonde de l’environnement mécanique dans les tissus et Les cellules vivantes répondent à la rigidité de leur substrat. cardiaque nécrosé. Or, non seulement les cellules injectées n’ont pu se développer en cellules musculaires pour régénérer le muscle cardiaque, mais les médecins ont observé que les cellules souches présentaient des facteurs de l’apoptose, c’est-à-dire de la mort programmée des cellules. Les chercheurs ont alors émis l’hypothèse que ce phénomène pouvait être provoqué par la rigidité du tissu nécrosé qui est beaucoup plus importante que celle du tissu musculaire sain. De fait, les différents tissus vivants ou organes ont non seulement leurs fonctions biochimiques propres, mais possèdent également des rigidités spécifiques. Dans ce cadre, il est apparu plausible que des cellules disséminées dans l’organisme puissent profiter de cette caractéristique pour se repérer et éviter de se déve- 73
Biophysique lopper dans un tissu différent de celui dont elles sont originaires (effet anti-métastase). Cette hypothèse a finalement pu être vérifiée in vitro en cultivant des cellules souches sur des substrats synthétiques mimant les élasticités typiques des tissus, des plus mous (cerveau, module d’Young E d’environ 1 kPa) au plus durs (collagène osseux, E 100 kPa). à conditions chimiques identiques, on observe que les supports mous induisent une orientation des cellules souches vers un type cellulaire neuronal, alors que les substrats les plus durs conduisent au développement d’ostéoblastes, c’est-à-dire des cellules de type osseux. De plus, les mêmes auteurs ont pu montrer que la formation des myofibrilles (filaments contractiles élémentaires qui s’assemblent pour former les fibres musculaires) était optimale lorsque des cellules pré-musculaires étaient cultivées sur des substrats mimant la rigidité des muscles sains (E 10 kPa). Activité contractile et adaptation d’impédance En principe, pour déterminer la rigidité d’un matériau, il faut lui appliquer une contrainte donnée et mesurer la déformation qui en résulte. Or, il a été très tôt observé que les cellules vivantes appliquaient effectivement des forces sur leurs substrats. Ces forces de traction sont générées par des complexes contractiles d’actine et de myosine semblables, dans leur fonctionnement, aux fibres musculaires. Les forces générées par ces structures intracellulaires sont transmises à l’environnement au travers de complexes protéiques d’adhésion qui constituent le véritable lien mécanique entre milieux intra et extra-cellulaires. Il est donc apparu naturel que certaines protéines de ces complexes puissent se comporter comme des capteurs de force dont la déformation permettrait de déclencher des cascades de réactions chimiques, appelées voies biochimiques de signalisation (encadré 1). La réponse à la rigidité telle que décrite précédemment pose cependant un certain nombre de questions. Par exemple, la réponse déclenchée par la déformation des contacts adhésifs est par définition locale et nécessite donc d’être coordonnée à l’échelle globale de la cellule pour permettre des processus organisés comme la migration orientée. Or, il n’existe aucun modèle pour cela. Par ailleurs, si la déformation de certaines molécules de signalisation est contrôlée par le niveau de force qui leur est appliqué, quelle relation existe-t-il entre la rigidité de l’environnement et la force de traction cellulaire ? Pour répondre à ces interrogations, nous avons mis au point un dispositif nous permettant de mesurer à la fois la force générée par une cellule vivante isolée ainsi que sa vitesse de contraction. En d’autres termes, nous nous sommes intéressés aux propriétés de la machinerie cellulaire responsable de la génération de force et nous avons caractérisé sa réponse propre à la rigidité. Figure 1 – (a) Images d’une cellule vivante défléchissant une micro-lamelle de verre de raideur calibrée k et principe de mesure de la force de traction cellulaire : F = kd, où d est la déflexion de la lamelle. (b) Variation temporelle de la force de traction cellulaire pour deux lamelles de raideurs différentes. Plus la lamelle-ressort est raide, plus la force croît rapidement. Adapté de Mitrossilis et al PNAS 2009 et al. PNAS 2010. Le dispositif utilisé est très simple dans son principe. Une cellule est capturée entre deux micro-lamelles de verre, l’une rigide, l’autre souple et de raideur calibrée k (figure 1). La lamelle souple est donc utilisée comme un simple ressort dont la déflexion d donne la force de traction cellulaire F = kd. Le système est monté sur un microscope optique et la déflexion de la lamelle souple est détectée et enregistrée en temps réel. Les déflexions typiques sont de l’ordre de quelques micromètres, les raideurs de 1 à quelques centaines de nN/μm et les forces cellulaires dans la gamme 1-300 nN. Les lamelles de verre sont recouvertes de fibronectine, molécule de la matrice extracellulaire. Du point de vue chimique, les contacts cellule-lamelles ressemblent à des interfaces cellule-matrice extracellulaire. Dans ces conditions, on observe que la cellule une fois mise en contact avec les lamelles s’étale (augmentation du diamètre apparent) et applique une force de traction qui rapproche l’extrémité de la lamelle souple de la lamelle rigide (diminution de la hauteur cellulaire entre lamelles). 74
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