Percer les secrets des interactions mécaniques des cellules avec leur environnement
Dans le monde complexe de la biologie, la capacité des cellules à détecter les signaux provenant de leur environnement et à y répondre est un processus fondamental qui régit le comportement cellulaire. Ces signaux régulent des fonctions essentielles telles que la différenciation, la prolifération et le mouvement. Phénomène intriguant, les cellules peuvent même ajuster leur comportement en réponse aux propriétés mécaniques du substrat qui les entoure, telles que sa rigidité. Elles sont capables de transformer ces forces mécaniques en signaux intracellulaires, un processus connu sous le nom de mécanosensation. Le substrat environnant, également connu sous le nom de matrice extracellulaire (ECM), comprend un réseau complexe de fibres en 3D qui apporte un soutien structurel aux cellules. En se déformant, les cellules de l’ECM perçoivent ses propriétés mécaniques. Ce processus leur permet non seulement d’ajuster leur comportement, mais peut également affecter les cellules voisines qui détectent les déformations appliquées.
Comprendre les interactions des cellules avec la matrice extracellulaire
Mené avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA), le projet CellMechSensE entend élucider les mécanismes sous-jacents impliqués dans l’interaction mécanique entre les cellules et l’ECM environnant. Le projet est le fruit d’une collaboration avec Pierre Ronceray à l’université d’Aix-Marseille et avec le groupe expérimental de Ming Guo au MIT. Les travaux se sont concentrés sur les forces importantes que les cellules peuvent exercer sur l’ECM et leur impact sur le fonctionnement du réseau environnant. «L’étude expérimentale des interactions mécaniques des cellules avec l’ECM s’est avérée difficile, en raison des limites de l’application de forces importantes à l’échelle locale», explique Estelle Berthier, chargée de recherche au MSCA. Les chercheurs ont découvert qu’en présence de ces forces plus importantes, l’ECM réagissait de manière étonnante, en multipliant sa rigidité par cent. Ce phénomène, connu sous le nom de non-linéarités élastiques, a généré une réponse mécanique complexe qui a été mal caractérisée. «Le projet a établi un cadre théorique et informatique complet afin d’appréhender la mécanosensation cellulaire au sein de la l’ECM», poursuit Estelle Berthier. Ce cadre a permis de caractériser la réponse mécanique, les déformations et la rigidité de l’ECM après le sondage des cellules.
Un nouveau modèle de mécanosensation
L’une des découvertes les plus surprenantes est sans conteste le fait que la réponse non linéaire locale différait de la réponse macroscopique, ce qui indique que des mécanismes fondamentalement différents sont en jeu. Cette distinction a remis en question les hypothèses existantes et a mis en évidence la complexité du sondage cellulaire. Le projet a également révélé que la réponse mécanique d’une sonde locale est beaucoup plus robuste et moins sensible au désordre du réseau en présence de forces importantes, là où les non-linéarités entrent en jeu. Ce résultat est inattendu, car les non-linéarités auraient pu exacerber les effets de ce désordre. Afin de donner un sens à ces découvertes et expliquer comment l’ECM réagit à différentes forces, les chercheurs ont mis au point un modèle de mécanosensation non linéaire révolutionnaire. En appliquant des forces plus importantes, une cellule peut induire des déformations non linéaires sur de plus grandes régions, ce qui rend le réseau beaucoup plus rigide. La cellule agit par conséquent comme un dispositif de sondage beaucoup plus vaste et examine une plus grande région du réseau. Tout comme avec l’augmentation de la taille du sondage, la mesure se révèle plus représentative des propriétés globales de l’ECM. Selon Estelle Berthier: «Assembler les pièces de ce puzzle et expliquer comment les cellules sondent et détectent leur environnement a sans conteste été la réalisation la plus importante de ce projet». À l’avenir, cette recherche pourrait nous éclairer sur la manière dont les cellules coordonnent leur comportement sur de grandes distances, ainsi que sur l’implication des non-linéarités locales dans les processus pathologiques, tels que la croissance des tumeurs et l’invasion du cancer.
Mots‑clés
CellMechSensE, force mécanique, matrice extracellulaire, réseau environnant, mécanosensation, rigidité, non-linéarités élastiques, modèle non-linéaire