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Comment les cellules répondent à la rigidité de leur environnement

 

Les forces mécaniques jouent un rôle important dans la croissance et la formation des tissus et des organes qui composent notre corps. La perception qu'ont les cellules vivantes de leur environnement mécanique conditionne certaines fonctions biologiques comme la migration ou le devenir cellulaire. L'utilisation de substrats microfabriqués a permis à des chercheurs de l'Université Paris Diderot, de l'Université Pierre et Marie Curie, du CNRS et du Mechanobiology Institute (Singapore, LIA CAFS CNRS) de mieux comprendre comment les cellules répondent à la rigidité de leur environnement. Les physiciens ont ainsi réussi à corréler les variations des forces en jeu lors du déplacement d'une cellule sur des substrats plus ou moins mous avec la réorganisation de l'architecture interne des cellules. Leurs résultats sont publiés dans la revue PNAS.

 

La transmission de forces mécaniques entre les cellules et leur environnement est un des processus importants dans la coordination des fonctions cellulaires comme l’adhésion, la migration ou encore la différentiation. Les cellules vivantes sont en effet capables de sonder et de réagir aux sollicitations mécaniques exercées par leur environnement mécanique comme leur matrice extracellulaire ou les cellules voisines. L’environnement physique, comme celui qui constitue la peau, les muscles ou encore le cerveau, dans lequel les cellules évoluent présente des propriétés mécaniques très différentes d’un tissu à l’autre. Or, c’est en s’accrochant et en tirant sur leur environnement que les cellules des tissus sondent l’élasticité du milieu extérieur. Les forces mises en jeu sont de l'ordre du nanoNewton et opèrent sur des surfaces de contact de l'ordre du micromètre. La transmission de ces forces de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule implique une réorganisation de l’architecture interne du cytosquelette cellulaire -ensemble organisé de polymères biologiques qui confèrent à la cellule l'essentiel de ses propriétés mécaniques- et de l’organisation de  micro-structures transcellulaires qui lient les cellules à leur milieu externe.

Des structures mécanosensibles permettent ainsi de faire le lien entre la cellule et son environnement. Reste à comprendre quelles sont ces structures et comment elles permettent aux cellules d’adapter les forces qu’elles exercent à leur environnement mécanique. En utilisant des substrats de micropiliers déformables dont on peut à loisir modifier la rigidité (en changeant leur hauteur par exemple), les chercheurs ont montré que non seulement les cellules en adhérant exercent des forces (de l’ordre de la dizaine de nN) qui augmentent avec la rigidité du milieu extérieur mais aussi que l’adaptation des forces de tension résulte d’une réorganisation interne du cytosquelette d’actine de la cellule. Ce cytosquelette (voir figure) qui s’étend sur l’ensemble du corps cellulaire permet d’exercer des forces internes contractiles. Cette étude montre qu’il jouerait également le rôle de structure mécanosensible à grande échelle en adaptant son organisation à la rigidité du milieu extérieur, les filaments s’alignant davantage dans une même direction sur un substrat plus rigide pour exercer des forces plus importantes.

Enfin, en fabriquant des zones contigües comprenant une partie molle et une partie rigide, les chercheurs ont pu mettre en évidence que leurs résultats pouvaient expliquer la capacité des cellules à migrer vers les zones les plus rigides du substrat, là où les forces exercées sont les plus grandes. L’étape suivante pour les chercheurs sera de caractériser la dynamique de ces mécanismes qui permettent de réguler aussi bien l’adhésion cellulaire précoce (quelques dizaines de minutes) que la différentiation cellulaire (plusieurs jours) et qui opèrent donc sur des échelles de temps très variables.

Organisation du cytosquelette d'actine en vert sur un substrat dur de micropiliers, vue en microscopie de fluorescence.

© SRK. Vedula & B. Ladoux Organisation du cytosquelette d'actine en vert sur un substrat dur de micropiliers, vue en microscopie de fluorescence. Chaque pilier de cette surface artificiellement créée par les chercheurs joue le rôle de capteur de forces mises en jeu lors du déplacement de la cellule et la modification des propriétés géométriques modifie sa rigidité. La distance entre les piliers est de 2 µm.

 

Référence

« Evidence of a large scale mechanosensing mechanism for cellular adaptation to substrate stiffness », Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), XXX.
Par Léa Trichet (1), Jimmy Le Digabel (1), Rhoda J. Hawkins (2), Sri Ram Krishna Vedula (3), Mukund Gupta (3), Claire Ribrault (1), Pascal Hersen (1,3), Raphaël Voituriez (2) et Benoît Ladoux (1,3)

 

(1) Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC), CNRS UMR 7057 & Université
Paris Diderot, Paris, France
(2) CNRS UMR 7600 & Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Paris, France
(3) Mechanobiology Institute (MBI), LIA CNRS, National University of Singapore, Singapore
http://www.pnas.org/content/early/2012/04/12/1117810109.abstract

 

Contacts

benoit.ladoux@univ-paris-diderot.fr

 

Site web

http://www.msc.univ-paris-diderot.fr/

 

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