Élasticité et modélisation multi-échelle de l`interface

Paris, 5 décembre 2016
Colloque CNRS-Académie des Technologies
« L'homme élastique – Des sciences fondamentales à la chirurgie de demain »
Élasticité et modélisation multi-échelle de
l’interface physique-vivant
et cellules – environnement
Claude Verdier
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy) – Grenoble
&
GDR 3570 Mécabio
« Mécanique des matériaux et fluides biologiques »
Plan
●
●
*
Résultats*
–
Interface physique-vivant : outils
–
Cellule & environnement : migration cellulaire
–
Aspects Multi-échelles : sous-cellulaire, cellulaire,
tissulaire
Perspectives
–
Echelles cellulaire et tissulaire
–
Modélisations avancées
Illustrations tirées des exposés du colloque Mecamat, Aussois, 18-22 janvier 2016 + GDR Mecabio
Interface physique-vivant
●
●
●
●
Outils et dialogue communs avec les
biologistes et les médecins : exemples
concrêts
Physique et mécanique : techniques
expérimentales et modélisation (élasticité
ou autres lois de comportement)
Microscopie de fluorescence
http://rsb.info.nih.gov/ij/images/
Microscopie : développements de la fluorescence (EPI,
Confocal, FRET, FLIP, FRAP, TIRF...), imagerie super résolue
(STED, STORM), bi- ou tri-photonique
Systèmes modèles : lignées cellulaires, tissus modèles, réseaux
de polymères = matrice
Interface physique-vivant : outils
Imagerie
⇒ Microscopie classique : contraste
de phase et fluorescence (confocal)
⇒ Tomographie X
Cellule adhérente
(vert=microtubules
rouge=actine,
cyan=adhésions,
bleu=noyau)
Cliché IAB,
(Plate-forme IBiSA)
Os trabéculaire (Grimal et al., LIB)
⇒ AFM : topographie
Composite fibreux
(Orgeas et al., 3S-R)
Cellule adhérente et structures
d’actine (LIPhy)
⇒ Histologie
microstructure fine
Epiderme
(Paris 6)
Interface physique-vivant
Propriétés mécaniques
Ahmed et al. (2015)
Interface physique-vivant
Propriétés visco-élastiques
Micro-rhéologie par AFM de cellule vivante
Abidine et al. (2015), LIPhy
Visco-élasticité de solution d’actine
par DWS – Palmer et al. (1999)
Compression de capsule et modèle hyperélastique (BMBI, Compiègne)
Cellule et environnement
Microfabrication : substrats micro-patternés
Théry et al. (2006)
Sundar Rajan (2016), IAB
La cellule vivante est sensible à son environnement
et agit sur lui et il agit sur elle (mécanotransduction)
Cellule et environnement
Champs de force (2D) et migration
●
Gels (TFM = Traction Force Microscopy)
gel élastique
+ marqueurs
⇒ déplacements
⇒ contraintes par
méthode inverse
⇒ application à la
migration cellulaire
Peschetola et al. (2013), LIPhy
●
Micro-piliers
Tan et al.
(2003)
La cellule vivante exerce des forces pour migrer dans son environnement
Aspects multi-échelles
- Sous-cellulaire
- Cellulaire
- Tissulaire
Chauvière, Preziosi & Verdier Eds. (2010)
Modélisation multi-échelles
Echelle sous-cellulaire et environnement
Modélisation de la nano-structuration de la fibrine : comparaison avec essais au SAXS et turbidimétrie ,
en relation avec la formation caillot Caton et al., 2010 (LRP)
Réseau de microporosité
mésoscopique cellulaire
osseux (Confocal, LIPhy)
densité ostéocytaire
Mécanotransduction et Ostéogenèse Imparfaite : Porosité,
microstructure (X) + Cristallinité ét carbonates (Raman)
(Hoc, LTDS)
Modélisation multi-échelles
Echelle cellulaire : discret et continu
Modèle continu :
viscoélastique
actif
Etienne, 2016
(LIPhy et IAB)
Modélisation par éléments discrets – Tenségrité
Milan et al., 2007 (ISM et LMGC)
Modélisation multi-échelles
Echelle tissulaire
Expérience des matériaux fibreux (GDR Milieux Fibreux)
⇒ couplage essais mécaniques et observation en tomographie X
⇒ analyse micro-mécanique (contact, flexion, torsion) pour le suivi
de l’évolution de l’orientation des fibres et de la micro-structure
Application aux tendons pour régénération tissulaire + modèle
biphasique (matrice + fibre + compressibilité)
Evolution d’un tissu
multi-cellulaire
- cellules (sphères
élastiques
- avec contact et
adhésion
(Beyer et al., 2010)
Laurent et al. 2012, LEMTA
3S-R
Perspectives
●
●
●
Echelle cellulaire
–
Cellule et mécanosensibilité
–
Migration cellulaire en 3D
–
Modèles de migration cellulaire
Echelle tissulaire
–
Les nouvelles microscopies
–
Couplage optique-mécanique
–
Utilisation des ondes (ultrasons)
–
Détermination de contraintes mécaniques in situ
Modélisations avancées
–
Modélisation tissulaire multi-échelles
Cellule et mécanosensibilité
⇒ Effet du substrat : rigidité, fonctionnalisation :
comprendre les sites d’adhésions comme des
éléments mécano-sensibles
⇒ Complexes moléculaires et forces
Féréol et al. 2009, ERL Créteil
⇒ Mécanosensitivité du remodelage
osseux par approche multiphysique
Lemaire et al., 2010-13, MSME
Freikamp et al. (2016),
Enjeu : intégrer les effets de mécanosensibilité
dans la compréhension des mécanismes
cellulaires
Transport ionique, effet du cisaillement,
Communication biochimique cellulaire
Modèles de migration cellulaire
⇒ Applications : cicatrisation, division, transmigration
Complexité
I2BC (CNRS, CEA, Paris-Sud)
Un exemple
Zhu & Mogilner, Interface Focus (2016)
Enjeu : traiter le problème du couplage entre milieu
interne actif (cytosquelette cellulaire) et environnement externe
Migration cellulaire en 3D :
Forces à l’interface cellule-environnement
Traceurs (billes ou fibres)
⇒ Champ de déplacements
⇒ Contraintes exercées par
la cellule sur son
environnement (TFM)
Cellule cancéreuse dans du collagène (3D) – champ de déplacements (LIPhy)
Tractions cellulaires au
cours de la migration
Legant et al. (2010)
Enjeu : mesurer les efforts mécaniques (contraintes) exercées par la cellule
sur son environnement
Les nouvelles microscopies
⇒ Microscopie 2nde harmonique (SHG)
(interaction non-linéaire) ou 3ème
harmonique (THG)
Collagène fibrillaire + myosine
Aorte normale de rat, 2PEF ⇒ media,
SHG ⇒ collagène de l’adventice (Pena, 2006)
⇒ Fluorescence à 2 photons (2PEF)
élastine et kératine
Section coronale de rein de souris fibrosé : vert=collagène
fibrillaire, rouge=fluorescence cellulaire (Schanne-Klein et al., LOB)
Microscopie de fluorescence
⇒ FRET « Fluorescence Resonance Energy Transfer »
⇒ FLIP « Fluorescence Loss In Photobleaching »
⇒ TIRF « Total Internal Reflection Fluorecence »
⇒ FRAP « Fluorescence Recovery After Photobleaching »
⇒ FCS « Fluorescence Correlation Spectroscopy »
(Austen et al., 2015)
Microscopie Super-résolue (10-20nm)
⇒ STED « STimulated Emission Depletion »
⇒ STORM « STochastic Optical Reconstruction
Microscopy »
⇒ PALM « Photo-Activated Localization
Microscopy »
Enjeu : Utiliser ces nouvelles techniques
pour avancer dans la compréhension fine
des structures cellulaires et tissulaires
Couplage optique/mécanique
essais couplés sous microscope
⇒ Coupler les mesures mécaniques et les observations microscopiques
ex. Orientation de fibres de collagène en traction
(ICube)
⇒ Développer des outils sous microscope (Bi-photon, J.M. Allain, LMS-LOB)
Mise en place de peau de souris
Courbe contrainte-déformation et visualisation du collagène
⇒ Utiliser la corrélation d’images (LMGC
et LGF St-Etienne)
Annulus fibrosus : cartilage hyalin
à fibres orientées
Plateforme tissus moux
(3S-R)
Enjeu : Mesurer des propriétés physiques-mécaniques en les
couplant avec des observations structurelles
Utilisation des ondes
⇒ Utiliser les ondes pour sonder les tissus vivants : ERM (Langevin, BMBI, ICube)
Elastographie : Fibroadénôme bénin et
carcinôme malin (Langevin)
Cliché ERM du foie et modélisation
(Bensamoun et al., BMBI)
Ultrasons quantitatifs
Signal retrodiffusé
pour étudier la micro-structure d’un tissu
(LMA)
Microscopie acoustique en réflexion
(Grimal et al., LIB)
Enjeu : Sonder les tissus profonds et développer des modèles
performants pour prendre en compte élasticité, anisotropie, non homogénéité
Détermination de contraintes in situ
⇒ méthodes externes (contact : AFM, pinces optiques et magnétiques)
ablation laser (relaxation)
⇒ Sondes mécaniques locales (gouttes)
Déformation de la goutte (confocal) et calcul
de l’anisotropie
Fonctionnalisation de micro-gouttes
Injection dans un embryon d’insecte
Campàs, … Weitz, Mahadevan & Ingber, Nature Methods (2014)
Enjeu : Obtenir l’information locale in situ sur les efforts mécaniques
Modélisation tissulaire multi-échelle
Faut-il modéliser un tissu global avec un modèle
simplifié de cellules (élastiques) où modéliser
précisément la cellule et avoir un milieu global
simple (élastique) ??
Approche discrète : tissu 2D (3SR)
Cellules=sphères
élastiques avec
contact
Beyer et al., 2010
Adhésion cellule-cellule : modèle de Potts
Zhang et al. 2011
⇒ Homogénéisation tissulaire, couplages poromécaniques (LMGC, LaBPS, d’Alembert)
⇒ Approches discrètes vs. continues (3S-R, LMGC,
MSC)
Enjeu : Modéliser un tissu vivant avec croissance
Conclusions, risques et enjeux
⇒ Interdisciplinarité : travail entre physiciens, mécaniciens,
biologistes, médecins est difficile, coûteux en temps au démarrage
(langage commun)
⇒ Couplage prometteur de différentes techniques mécanique-biologie
⇒ Besoin de recherche amont mais aussi applications
⇒ Acteurs remarquables dans la communauté française : les mobiliser
pour travailler sur des problèmes en mécanique du vivant
Aspects multiéchelles
●
●
2010 : quels
aspects multiéchelles sait-on
intégrer ?
Différentes
échelles
-sub-cellulaire
-cellulaire
-multicellulaire