Cell migration by forcing heterogeneity
Migration cellulaire par forçage d’hétérogénéité
Résumé
Cell migration is essential in various biological processes such as embryogenesis,wound healing, metastatic invasions or immune response. The objective of this thesiswas to identify and extract parameters useful for the establishment of physical modelsand the biological understanding of collective migration. To do this, we study cellmigration around an obstacle. Indeed, the presence of an obstacle in a flow induces heterogeneities which are discriminating for the establishment of models and we wantedto add to the information of velocities and deformations those of the forces exerted bythe cells on the substrate. Initally, the protein pattern geometry on which our cells are deposited is that of a band with an obstacle. Cells are confined by a block which, once removed, allows the tissue to invade free space and flow around the obstacle. The first part of this thesis studies this configuration, from a kinematic and proteinic levels point of view. In particular,we obtain master curves in velocity and deformation, a correlation between velocity and density, and an enrichment of the vimentin at the edge of the confined pattern andat the migration front. A set of relationships between actin, vimentin levels, density,deformation, and velocity is also found. Finally, it is shown that the direction of polarizationdefined by the core to center of mass vector of the cell is on average orthogonalto the direction of velocity. The strip geometry has the advantage of forcing the flow and being very controlled but has the disadvantage of requiring the installation of a block. It is not possible to lay the block on a substrate of low rigidity for force measurements, and to get around this problem we closed the boundary conditions and worked on a racetrack geometry that has two obstacles in the middle of each arm. We wagered on spontaneous generationof large-scale flow, which proved to be correct. The third part of the results studies theracetracks on a hard substrate (as opposed to a soft substrate for forces). The possibilityof generating a long-range flow and the presence of vimentin at the edge of the pattern are retained. We also note that the velocity- density relationship is no longer valid in this geometry, which attests that when it exists, it is in fact a consequence of the spreading dynamics of the monolayer and not of the migration dynamics as such. There is also a relationship between actin and vimentin which illustrates three possible cell states. The first corresponds to very deformed and vimentin-rich cells, the second to very dense and actin-rich cells, and the third to intermediate states of deformation and density where the cells move and where actin and vimentin vary together. The last part of this thesis consists in studying the forces (soft substrate) by traction force microscopy. These experiments confirm that a migrating monolayer is contractile and we show that it is equivalent to measure the displacement of beads in the substrate or the displacement of cells at small scale on phase images. In other words, the instantaneous velocity (the one used by the theoreticians but not experimentally measurable) is equal to the bead position derivative.We conclude that there is continuity of motion between the substrate and the cell. Keeping in mind our first goal to study the migration around an obstacle, the development of a large-scale system oracetracksallows us to better understand the underlying ingredients of migration while developingthe experimental framework that allows quantitative comparisons between systems.
La migration cellulaire est essentielle dans divers processus biologiques tels que l’embryogenèse, la cicatrisation ou les invasions métastatiques. L’objectif de cette thèse était d’identifier et d’extraire les paramètres utiles à l’établissement de modèles physiques ainsi qu’à la compréhension biologique de la migration collective. Pour cela,nous étudions la migration cellulaire autour d’un obstacle. Cela induit des hétérogénéités qui sont discriminantes pour l’établissement de modèles. Nous voulions mesurer dans cette géométrie les champs de vitesses, de déformations et de forces exercées par les cellules sur le substrat.La géométrie initiale du motif protéique sur lequel nos cellules sont déposées est celle d’une bande avec un obstacle sur laquelle des cellules sont confinées par un bloc qui,une fois retiré, permet au tissu d’envahir l’espace libre. La première partie de cette thèse étudie cette configuration, d’un point de vue cinématique et protéique. On retient en particulier l’obtention de courbes maîtresses en vitesse et déformation, la corrélation entre vitesse et densité, et l’enrichissement de la vimentine en bord de motif confiné et en front de migration. Un ensemble de relations entre niveaux d’actine, de vimentine, densité, déformation, et vitesse est également trouvé. Enfin, on montre que la direction de la polarisation définie par le vecteur centre de masse du noyau à centre de masse de la cellule est en moyenne orthogonale à la direction de la vitesse.La géométrie en bande à l’avantage de forcer l’écoulement et d’être très contrôlée mais a le désavantage de nécessiter la pose d’un bloc qui n’est pas possible sur un substrat de faible rigidité pour l’étude des forces. Pour contourner ce problème nous avons fermé les conditions aux limites et travaillé sur une géométrie en hippodrome qui possède deux obstacles aux milieux de chacun des bras. Nous avons parié sur la génération spontanée d’un écoulement à grande échelle, ce qui s’est révélé exact. La troisième partie des résultats étudie les hippodromes sur un substrat dur (en opposition au substrat mou pour les forces). On retient la possibilité de générer un flot de longue portée et la présence de vimentine en bord de motif. On retient également que la relation vitesse densité n’est plus valable dans cette géométrie, ce qui atteste que lors qu’elle existe, elle est en fait une conséquence de la dynamique d’étalement du tissu et non de la dynamique de migration en tant que tel. On trouve également une relation entre actine et vimentine qui met en évidence trois états cellulaires possibles. Le premier correspond aux cellules très déformées et riches en vimentine, le second aux cellules très denses et riches en actine, le troisième aux états intermédiaires de déformation et densité où les cellules bougent et où actine et vimentine varient ensemble.La dernière partie de cette thèse consiste à étudier les forces (substrat mou) par microscopie de force de traction. Ces expériences confirment qu’une monocouche en migration est contractile et nous montrons qu’il est équivalent de mesurer le déplacement des billes dans le substrat ou le déplacement des cellules à petite échelle sur des images de phase. En d’autre terme, la vitesse instantanée (celle utilisée par les théoriciens mais non mesurable expérimentalement) est égale à la dérivée des positions des billes. Nous concluons qu’il y a continuité du déplacement entre le substrat et la cellule.À partir d’un objectif initial qui était d’étudier la migration autour d’un obstacle, le développement d’un système à grande échelle sur des hippodromes permet de mieux comprendre les ingrédients sous-jacents de la migration, tout en développant le cadre expérimental qui permet de faire des comparaisons quantitatives entre systèmes.
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