Mechanical instabilities in epithelia

Instabilités mécaniques dans les épitheliums

• Auteur / Autrice : Claude-Edouard Hannezo
• Direction : Jean-François Joanny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épithélium

Cellules souches

Biophysique

Résumé

Les épithélia sont les tissus biologiques qui couvrent et protègent nos organes. Parce que leur rôle premier est de protéger le corps contre des agressions multiples, mais aussi de servir de surface d’échange, ils doivent adopter et garder dans le temps une morphologie bien déterminée. Dans cette thèse, nous construisons un modèle biophysique des tissus épithéliaux, en incorporant une par une ses principales caractéristiques. Nous décrivons d’abord un tissu simple, composé d’un seul type de cellules et sans division, à travers un modèle de mousse activeLes transitions entre différentes morphologies, tels que des changements de rapport d’aspect ou de courbure, peuvent être continus ou discontinus. Dans un second temps, nous montrons comment les contraintes compressives induites par la division et la mort cellulaire influencent la forme finale de nos organes. Nous montrons que de simples modèles biomécaniques d’instabilités de flambages permettent de rendre compte de la structure de la paroi intestinale, ou de pathologies de tubes cellulaires tels que la trachée ou les artères. Nous décrivons comment ces résultats sont modifiés si l’on considèrent plusieurs types de cellules en interconversion, notamment des cellules souches. Enfin, intégrons les différents aspects décrits plus hauts, nous étudions la migration cellulaire collective, en considérant chaque cellule comme une sphère élastique auto- propulsée par des outils analytiques et numériques. Nous discutons comment cette migration collective peut générer des motifs biologiques. Nous intégrons les différents aspects décrits plus hauts et montrons l’existence d’une instabilité spontanée qui mène à la formation de tels motifs. Elle résulte d’un compromis entre les contraintes liées à la migration des cellules différentiées et celles liées la division des cellules souche.

Epithelia are the biological tissues which line and protect our organs. Because their role is both to protect the body against various exterior stresses and to serve as an exchange platform (air, nutrient, liquids etc), epithelial tissues must adopt a precise morphology, which depends on its localization in our organism. In this thesis, we build a realistic though simple biophysical model of epithelia, incorporating one by one throughout the chapters the various aspects of the epithelial cell biology. We first consider the simplest case of a tissue composed of a single cell type, without migration or division. The only active forces arise from differential tensions on each of the cell edges, which dictate the morphology of the epithelial sheet. This model of active foams predicts non-trivial phase transitions between the different stereotypical morphologies observed in vivo, which can be used to understand various developmental events such as sheet bending and the formation of biological tubes or spheres of precise radii. Secondly, we incorporate in our model the stresses arising from cell division and death. When tissues grow in constrained environments, buckling instabilities are generically expected, and we show that a simple biomechanical model can explain a wide variety of biological shapes, such as the intestinal wall or pathologies of biological tubes such as arteries and trachea. We also consider the interconversion of different cell types such as stem cell and differentiated cells. Finally, we study collective cell migration, modeling each cell as a self-propelled polar particle. We discuss how the polarity field of collective cell migration can create biological patterns. We integrate the ingredients above in a simple analytical model, and show the existence of a spontaneous instability leading the the formation of stem cell patterns. The instability results from a subtle interplay between the forces arising from differentiated cell migration and stem cell division.