Guidage par contact collectif de monocouches cellulaires : migration en bandes polaires et formation de bicouches orthogonales

Collective contact guidance of cell monolayers : polar laning and crisscross bilayering

• Auteur / Autrice : Mathilde Lacroix
• Direction : Pascal Silberzan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/05/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physico-chimie Curie (Paris ; 1996-....) - Laboratoire Physico-Chimie Curie [Institut Curie]
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdul I. Barakat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Silberzan, Karine Anselme, Sylvain Gabriele, Salima Rafaï, Raphaël Voituriez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Anselme, Sylvain Gabriele

Mots clés

Mots clés libres

Matière active

Comportements cellulaires collectifs

Guidage par contact

Migration en bandes polaires

Formation de bicouches orthogonales

Auto-Organisation

Active matter

Collective cell behaviors

Contact guidance

Polar laning

Crisscross bilayering

Self-Organization

Résumé

Les flux cellulaires collectifs au sein des tissus jouent un rôle central dans les processus biologiques tels que la morphogenèse, la cicatrisation ou la progression du cancer. In vivo, la migration cellulaire est influencée par des structures orientées telles que les fibres de matrice extracellulaire, qui peuvent être imitées in vitro par des topographies rainurées. Bien que le "guidage par contact" de cellules individuelles ait été étudié de manière approfondie, on en sait moins sur la réponse d’ensembles de cellules à ces signaux anisotropes. Dans cette thèse, nous utilisons le guidage par contact pour induire des comportements collectifs dans des monocouches de cellules confluentes.Nous nous concentrons tout d'abord sur les cellules épithéliales HBEC qui ont une dynamique chaotique sur des substrats non structurés. Lorsqu'elles sont déposées sur des rainures subcellulaires, ces cellules s'organisent spontanément en larges bandes supra cellulaires, alternantes, non périodiques, de plusieurs millimètres de long, et migrant dans des directions antiparallèles. En combinant des expériences avec une description hydrodynamique des fluides polaires actifs et des simulations de particules, nous montrons que notre système subit une transition d’un état désordonné à un état ordonné contrôlée par des forces de traction polaires et un couplage polarité-vitesse. Augmenter la profondeur des sillons favorise cette transition et stabilise le motif de migration en bandes via l’anisotropie de la friction.Nous étudions ensuite la formation de couches de cellules empilées orthogonalement. Nous avons conçu des substrats rainurés juxtaposés orthogonalement pour imposer d’importants gradients d’orientation le long d’une interface. Grâce à cette géométrie, nous avons réussi à contrôler la formation spontanée de bicouches orthogonales de myoblastes à grande échelle. En combinant les expériences avec une description hydrodynamique des fluides nématiques actifs, nous montrons que l'interaction entre des gradients abrupts d'orientation et des forces de traction nématiques actives conduit à des flux complexes et déclenche l'initiation et la progression de bicouches.

Collective cell flows within tissues are central in biological processes such as morphogenesis, wound healing, or cancer progression. In vivo, cell migration is influenced by oriented structures such as extracellular matrix bundles, which can be mimicked in vitro by grooved topographies. Although “contact guidance” of single cells has been thoroughly studied, less is known on the response of cell assemblies to such anisotropic cues. In this thesis, we use contact guidance to drive collective behaviors in confluent cell monolayers.We focus first on HBEC epithelial cells that have a chaotic dynamic on unpatterned substrates. When seeded on subcellular grooves, these cells spontaneously organize into wide supracellular, alternating, non-periodic, millimeter-long lanes that migrate in antiparallel directions. Combining experiments with a hydrodynamic description of active polar fluids and particle-based simulations, we show that our system undergoes a disorder-to-order transition mediated by polar traction forces and polarity-velocity coupling. Increasing the groove depth favors this transition and stabilizes a laning pattern via friction anisotropy.We then study the formation of stacked orthogonal layers of cells. We designed orthogonal juxtaposed grooved substrates to impose large gradients of orientation along an interface. With this geometry, we succeeded in controlling the spontaneous formation of large-scale orthogonal bilayers of myoblasts. Combining experiments with a hydrodynamic description of active nematic fluids, we show that the interplay between steep orientation gradients and active nematic traction forces leads to complex flows and triggers bilayering initiation and progression.