Comment les cellules répondent-elles à l'environnement ?
Des substrats 2D de rigidité contrôlée en polyacrylamide (PAA) ou élastomère (PDMS) et fonctionnalisés avec des molécules d'adhérence miment l'environnement physique des cellules au plus près des conditions physiologiques de l'organe dont elles sont issues.
La gamme de rigidité s'étend de 0.5-1kPa à 100 kPa pour les gels de polyacrylamide. Le PDMS s'applique plutôt à de fortes rigidités (jusqu'au MPa).
Ces deux types de substrats doivent être fonctionnalisés afin de permettre l'attachement et l'étalement des cellules. Les molécules d'adhérences telles que la fibronectine, le collagène, la vitronectine… seront choisies en fonction des cellules étudiées. Après ensemencement des cellules divers paramètres peuvent être étudiés : étalement, forme des cellules, migration de cellules individuelles ou migration collective, localisation sub-cellulaire de marqueurs d'intérêt en cellules vivantes ou après fixation avec acquisition en lumière blanche ou en fluorescence.
Impact de la contrainte spatiale sur la structure et le comportement cellulaire ?
Ces deux questions différentes du point de vue de leur objectif scientifique conduisent au même problème technique. Contrairement à la fonctionnalisation homogène décrite plus haut, la solution sera ici de réaliser une fonctionnalisation sélective du substrat de culture : de formes et d'aires très définies. Ce sera réalisé par la micro-impression des molécules d'adhérence afin de dessiner des formes telles que des carrés, des lignes droites ou cassées... La micro-impression est mise au point en collaboration avec Fabienne Régnier (équipe de Clotilde Randriamampita) et utilise deux techniques : par "tampon encreur" (Figure 1) et par "deep UV" (Figure 2). La figure 5 illustre deux exemples d'applications de la micro-impression.
Quelles forces les cellules développent-elles ?
Afin d'assurer leur mobilité, les cellules prennent appui sur leur environnement/substrat de culture pour se propulser grâce aux forces que leur cytosquelette déploie. La mesure de ces forces par la technique de Traction Force Microscopy (TFM) est évaluée en suivant la déformation des substrats de polyacrylamide sous les cellules. Le PAA est déformé comme lorsqu'une main posée sur une feuille de papier la froisse légèrement ou, pour choisir une autre comparaison dans le domaine de l'athlétisme, lorsque que la chaussure de l'athlète déforme le tartan de la piste à chaque impulsion. La déformation est mesurée en suivant le déplacement de billes fluorescentes présentes dans le gel de PAA. Le déplacement des billes en présence de cellules sera calculé par un algorithme appliqué aux images acquises. Le calcul des forces est obtenu en tenant compte des paramètres physiques du gel, en particulier sa rigidité (Figures 1 et 2).
Comment les cellules répondent-elles à la modulation de l'environnement ?
Au cours du développement comme au cours de la vie adulte, physiologique et pathologique, les cellules migrent et sont soumises à l'influence de tissus dont les propriétés mécaniques peuvent être différentes. Les cellules devront donc s'adapter et répondre de façon adéquate et coordonnée aux stimuli perçus. Ces stimuli pourront faciliter l'initiation préalable d'un comportement ou au contraire l'inhiber. Pour étudier la réponse des cellules aux variations des propriétés mécaniques de leur environnement (durotaxie), des gels de polyacrylamide dont la rigidité présente un gradient dont l'amplitude peut être déterminée par l'utilisateur sont utilisés comme substrat de culture des cellules. Divers critères pourront être étudiés, par exemple les différences d'étalement et de forme cellulaires mais surtout la migration.
