Mécano-sensibilité cellulaire : adaptation physique à la rigidité

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Mécano-sensibilité cellulaire : adaptation physique à la rigidité 0,02 0,5 1,2 0,1 Vitesse de contraction (µm/s) 0,015 0,01 0,005 0,4 0,3 0,2 0,1 Puissance mécanique (f W) V/V max 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,08 0,06 0,04 0,02 P/F max V max 0 0 0 50 100 150 200 0 0 Charge (nN) Figure 2 – Relations force-vitesse (carrés blancs) et charge-puissance (disques noirs) d’une cellule isolée. Les valeurs sont calculées à partir des courbes de force pour une déflexion arbitraire de 1 μm. Les charges reportées en abscisse correspondent à des raideurs de lamelles variant de 2,5 à 176 nN/μm (figure reprise de Mitrossilis et al. PNAS 2009). Dans une première étude, nous avons utilisé des lamelles souples de différentes raideurs et observé comment la valeur de k influençait la force de traction cellulaire. On observe essentiellement que la force croît plus rapidement lorsque la raideur est plus importante (figure 1b). En conséquence, après un temps donné, la cellule applique une force d’autant plus importante que le substrat est rigide. Pour comprendre l’origine physique possible de ce phénomène, il faut se rappeler que la dérivée temporelle de la force est directement proportionnelle à la vitesse de contraction cellulaire. En effet, la force est donnée par la tension de la lame ressort F = kd, d’où dF = kV où V est la vitesse à laquelle la lamelle est dt défléchie et, également, la vitesse de contraction de la cellule perpendiculairement aux lamelles. La puissance mécanique développée par la cellule pour défléchir la lamelle-ressort est donc simplement P= FV = F dF , et k dt peut être obtenue à partir de la force F(t) ainsi que de sa dérivée. Si l’on considère, pour différentes raideurs testées, la puissance mécanique développée à une déflexion d 0 donnée (c’est-à-dire pour un raccourcissement cellulaire identique), on obtient P= 0 . Ainsi, à d 0 fixée, on peut exprimer l’augmentation de dF avec k en relation dt force-vitesse V = 1 dF ( F= kd k dt 0), ou encore en relation charge-puissance P= d dF ( F= kd )(figure 2). d dF dt 0 dt 0 L’augmentation de dF dt avec la raideur k est donc liée à une augmentation de la puissance mécanique avec la charge. L’adaptation cellulaire à la rigidité pourrait ainsi s’expliquer par la réponse à la charge des éléments contractiles d’actine et de myosine. Ces éléments agissent comme des générateurs de force et l’adaptation à la rigidité serait un phénomène d’adaptation d’impédance mécanique (définie comme le rapport charge sur vitesse). Sur substrats mous, les générateurs de force sont –0,2 –0,2 faiblement chargés, la vitesse de contraction est élevée et l’énergie consommée pour produire la contraction est perdue en friction interne dans les fibres. à mesure que l’on augmente la rigidité du substrat, la vitesse de contraction diminue et, avec elle, la dissipation interne. L’appareil contractile devient plus efficace avec la charge. Ce phénomène a d’ailleurs été décrit très tôt dans le cas des muscles et porte le nom d’effet Fenn. Nous avons alors cherché à voir si les relations forcevitesse et charge-puissance des cellules isolées pouvaient se comparer aux relations obtenues pour les muscles. Or, un des résultats les plus frappants dans le cas des muscles est qu’il est possible de rassembler les données obtenues pour différents types musculaires sur une courbe maîtresse. En normalisant les vitesses par la vitesse maximale V max de contraction sous charge nulle, et les forces par la force d’arrêt F max , c’est-à-dire la charge à laquelle la vitesse de contraction s’annule (V = 0), on aboutit à l’équation universelle adimensionnée de Hill : (f + r)(v + r) = (1 + r)r, F F max 0 0,2 0,4 F/F max 0,6 – 0,2 1,2 Figure 3 – Lorsque les données de la figure 2 sont représentées en variables adimensionnées, les relations force-vitesse (carrés blancs) et chargepuissance (disques noirs) obtenues pour une cellule isolée correspondent bien à celles des muscles (courbes bleue et rouge). à charge nulle, la vitesse de contraction est maximale et toute l’énergie produite par la cellule est dissipée en friction interne. à charge maximale, l’énergie est employée à bander la structure cellulaire sans pour autant pouvoir déformer le substrat (tétanisation). Dans ces deux cas limites, la puissance mécanique utile est nulle (figure reprise de Mitrossilis et al. PNAS 2009). avec f = , v = V , où r est une constante de l’ordre de V max 1/4 pour tous les muscles. Nous avons alors mesuré F max et V max pour nos cellules isolées lors d’expériences spécifiques effectuées respectivement à déformation et charge nulle. Les relations force-vitesse et charge-puissance adimensionnées obtenues pour les cellules uniques se sont révélées en parfait accord avec l’équation de Hill adimensionnée (figure 3). à ce stade, il est apparu possible que la réponse cellulaire à la rigidité puisse être le reflet de l’adaptation des 0,8 1 75
Biophysique générateurs de force à la charge. Ce mécanisme d’adaptation à la rigidité est par nature très différent des modèles qui impliquent une régulation de la contractilité cellulaire via des cascades biochimiques (encadré 1). Une différence notable entre ces deux processus réside dans le temps caractéristique de réponse. Une réponse de type purement mécanique, comme dans le cas d’une adaptation d’impédance, doit être quasi-instantanée. En revanche, des boucles de régulation chimique déclenchées au niveau local des adhésions, amplifiées et coordonnées à l’échelle de la cellule dans son ensemble, exigeraient au minimum quelques secondes. C’est ainsi que nous avons cherché à révéler la cinétique de réponse de la cellule à la rigidité, mais cela exigeait au préalable de mettre au point un procédé permettant de changer, en temps réel, la rigidité perçue par une cellule vivante. a Force (nN) 400 300 200 100 0 0 200 400 600 800 1000 90 5 1200 Raideur effective (nN/µm) Raideur effective et réponse instantanée à la rigidité Lorsqu’une cellule se contracte entre les microlamelles de notre appareil à force, la déformation cellulaire et la déformation de la lamelle-ressort sont égales (figure 1). La relation force-déformation est donc imposée par la micro-lamelle dont la raideur contrôle ainsi le point de fonctionnement de la machinerie contractile de la cellule. Pour nous affranchir de la raideur physique de la lamelle-ressort, nous avons développé un système de double rétroaction qui nous permet de contrôler indépendamment déformation cellulaire et déformation de la lamelle-ressort (encadré 2). Nous pouvons ainsi imposer, à loisir et en temps réel, une relation force-déformation arbitraire correspondant à une raideur effective comprise entre zéro et l’infini. Nous avons ainsi pu mesurer la force de traction générée par une cellule isolée soumise à des changements soudains et importants de la raideur effective, alternant par exemple entre 5 et 90 nN/μm (figure 4a). à titre de comparaison, nous avons reporté sur le même graphe les courbes de traction obtenues avec des ressorts de raideurs équivalentes aux valeurs de k eff (5 et 90 nN/μm). La première observation est que la pente dF/dt change à chaque changement de raideur effective. De plus, que la valeur de la raideur soit simulée ou corresponde à la rigidité vraie d’une lamelle-ressort, les pentes observées sont identiques. La cellule se comporte donc vis-à-vis du système à raideur effective comme elle le fait avec de vrais ressorts, adaptant dF/dt (et donc la vitesse de contraction et la puissance mécanique) à la raideur perçue de son environnement. Ensuite, il apparaît que le paramètre de contrôle de la réponse cellulaire est bien la raideur et non le niveau de force cellule-substrat. D’une part, on observe que les changements de raideur effective (par définition, discontinuité de k eff ) ont lieu sans discontinuité pour la valeur de la force F. D’autre part, deux changements identiques de k eff effectués à différentes valeurs de force induisent le même b Force (nN) 206 204 202 200 198 196 1010 1015 1020 Temps (s) 1025 1030 Figure 4 – (a) évolution de la force de traction (bleu) lors d’une expérience où la raideur effective (rouge) est commutée de 5 à 90 nN/μm et vice versa. Les points en noir servent de références ; ils correspondent aux résultats obtenus avec des lamelles-ressorts de raideurs équivalentes aux valeurs de k eff choisies (disques pleins : 5 nN/μm – disques vides : 90 nN/μm). On observe que, pour une valeur de raideur donnée, dF/dt est la même que la raideur soit réelle ou effective. Par ailleurs, la valeur de dF/dt est clairement contrôlée par k eff , et non par le niveau de la force F. Par exemple, pour deux niveaux de forces différents, le passage de la valeur de raideur haute, à la valeur basse, induit la même modification de dF/dt. (b) Détail sur un changement de raideur effective. La force générée par la cellule est relevée à intervalles de 0,1 seconde (points bleus). On ne peut distinguer de régime transitoire entre les pentes dF/dt avant et après le changement de raideur effective. L’adaptation de la contractilité cellulaire a donc lieu en moins de 0,1 seconde (figure adaptée de Mitrossilis et al. PNAS 2010). changement de pente dF/dt. Cette observation est en désaccord avec les modèles admis jusque là qui supposaient que la réponse cellulaire est contrôlée par le niveau de force appliqué à certaines molécules mécano-sensibles. Enfin, si l’on se concentre sur un changement de raideur donné (figure 4b), on observe que le changement de dF/dt (pente locale de la courbe de force) a lieu brutalement, sans que l’on puisse percevoir un quelconque régime transitoire. L’adaptation de la contractilité cellulaire à la raideur se fait donc sur une échelle de temps plus rapide que la résolution temporelle de notre système d’acquisition, c’est-à-dire en moins de 0,1 seconde. Les 90 5 Raideur effective (nN/µm) 76
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