Physico-biologie aux mésoéchelles

Nos recherches portent principalement sur l’étude des populations de cellules en interaction (des bactéries aux cellules épithéliales) en utilisant des concepts et techniques issus de la physique.

Nous abordons par conséquent des problèmes fondamentaux de la biologie d’un point de vue différent et complémentaire à celui des biologistes.De façon plus spécifique, nous sommes principalement impliqués dans deux projets abordant des aspects différents de la communication entre cellules qui conduisent à des comportements collectifs : le chimiotactisme des bactéries et la migration collective des cellules épithéliales. Dans les deux cas, nous utilisons les possibilités offertes par les techniques de micro-fabrication : via un bon contrôle de la géométrie, nous obtenons des situations très reproductibles présentant des conditions aux limites bien définies.Ces projets sont pertinents vis-à-vis d’un certain nombre de situations pratiques dans lesquelles les cellules développent une réponse collective aux micro-environnements naturels (biofilms, tissus, tumeurs…). Les systèmes modèles que nous développons constituent un premier pas vers la compréhension de ces comportements.

Chimiotactisme des bactéries

Non seulement la bactérie E. coli est chimiotactique, c’est-à-dire que cette bactérie nage vers une source d’attractants (nourriture, oxygène…), elle exprime également certains de ces attractants. Cette propriété présente des similitudes avec un problème classique de physique : des particules en interaction soumises à un champ externe. Elle conduit à des comportements complexes (formation de motifs, auto-concentrations, transitions de phases …). Ce système hors équilibre du point de vue de la physique statistique, est également à l’origine d’ondes de concentration pouvant être facilement observées à partir de suspensions bactériennes, dans des micro-canaux. Afin de mieux comprendre les règles gouvernant le comportement de ce système, nous pouvons jouer sur plusieurs paramètres (champs externes, géométries des canaux…) qui permettent de contrôler la propagation des fronts de concentration (figure 1 et vidéo1).

video 1 : Propagation of a bacteria concentration wave (E. coli) in a microchannel. velocity of the wave : 4 um/s. width of the channel 500 um. depth : 100 um

fig 1: Concentration wave of E. coli bacteria in a microchannel and details of the individual trajectories
Fig 1 : Concentration wave of E. coli bacteria in a microchannel and details of the individual trajectories

 

Migration collective de cellules épithéliales.

En utilisant une technique originale développée dans notre groupe, nous pouvons libérer de la surface à un épithélium confluent sans endommager les cellules (figure 2).

fig2: Représentation schématique des expériences. Le décollement du pochoir déclenche la migration des cellules.
Fig 2 : Représentation schématique des expériences. Le décollement du pochoir déclenche la migration des cellules.

Dans ces conditions, les cellules se développent et migrent sur cette surface nouvellement libérée. Comme les contacts cellule-cellule sont conservés, cette motilité a des propriétés collectives qui donnent lieu à des comportements inhabituels et, en particulier, à une forte digitation du bord formé et à l’apparition de cellules « leaders » qui ont des caractéristiques très particulières (figure 3 et video 2)

Video 2 Migration of an epithelial monolayer on free surface (MDCK cells; video duration 33hr; initial wound width 400 µm)

fig 3 : Migration cellulaire observée lorsque l'on libère de la surface (t=0, retrait du pochoir). A gauche : Digitation du bord de l'épithélium (largeur initiale = 400 µm). A droite : Les doigts sont précédés d'une « cellule leader » semblable à un fibroblaste
fig 3 : Migration cellulaire observée lorsque l’on libère de la surface (t=0, retrait du pochoir). A gauche : Digitation du bord de l’épithélium (largeur initiale = 400 µm). A droite : Les doigts sont précédés d’une « cellule leader » semblable à un fibroblaste
ig 4: Champ de vitesse dans un épithélium en migration obtenu par vélocimétrie par imagerie de particules. Les déplacements des cellules sont très corrélés et s'étendent sur environ 15 cellules.
Fig 4 : Champ de vitesse dans un épithélium en migration obtenu par vélocimétrie par imagerie de particules. Les déplacements des cellules sont très corrélés et s’étendent sur environ 15 cellules.

La similarité de certaines de ces observations avec des groupes multicellulaires issus de tumeurs épithéliales in vivo est une motivation pour développer un équivalent 3D. Nous avons commencé les premières expériences dans ce sens.Dans les deux cas, un environnement confiné avec des limites bien définies (c’est-à-dire un bon contrôle des géométries et des propriétés de surface) est nécessaire à l’obtention de situations reproductibles. Nous utilisons à cette fin les techniques de micro-fabrication, principalement basées sur la lithographie douce, et nous développons de nouvelles stratégies permettant un tel contrôle. Dans toutes ces situations, diverses quantités sont mesurées depuis les échelles subcellulaires jusqu’aux échelles multicellulaires (forces développées par les cellules, champs de déplacements et de vitesses (figure 4), formes ou polarités…) et sont corrélées aux signaux biochimiques pertinents tels que la consommation d’oxygène ou l’activité des petites protéines G.

Cette approche très parallèle et quantitative nous permet d’interagir efficacement avec plusieurs groupes de théoriciens afin d’interpréter nos expériences et de modéliser ces phénomènes hors d’équilibre.

 

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Publications clés

Année de publication : 2015

Vincent Nier, Maxime Deforet, Guillaume Duclos, Hannah G Yevick, Olivier Cochet-Escartin, Philippe Marcq, Pascal Silberzan (2015 Jul 21)

Tissue fusion over nonadhering surfaces.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : 9546-51 : DOI : 10.1073/pnas.1501278112
Yevick HG, Duclos G, Bonnet I, Silberzan P. (2015 May 12)

Architecture and migration of an epithelium on a cylindrical wire

Proc Natl Acad Sci USA112(19):5944-9

Année de publication : 2014

Deforet M, Hakim V, Yevick HG, Duclos G, Silberzan P (2014 May 6)

Emergence of collective modes and tri-dimensional structures from epithelial confinement.

Nat Commun5:3747 : DOI : 10.1038/ncomms4747
Reffay M, Parrini MC, Cochet-Escartin O, Ladoux B, Buguin A, Coscoy S, Amblard F, Camonis J, Silberzan P (2014 Apr 16)

Interplay of RhoA and mechanical forces in collective cell migration driven by leader cells

Nat Cell Biol16(4):382
G Duclos, S Garcia, H G Yevick, P Silberzan (2014 Mar 14)

Perfect nematic order in confined monolayers of spindle-shaped cells.

Soft matter : 2346-53 : DOI : 10.1039/c3sm52323c

Année de publication : 2013

Olivier Cochet-Escartin, Jonas Ranft, Pascal Silberzan, Philippe Marcq (2013 Jul 20)

Border forces and friction control epithelial closure dynamics.

Biophysical journal : 65-73 : DOI : 10.1016/j.bpj.2013.11.015
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