Mécanique de la phagocytose et comparaison avec d'autres processus immunitaires

Mechanics of phagocytosis and comparison with other immune processes

• Auteur / Autrice : Alexandra Zak
• Direction : Julien Husson, Oliver Nüsse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Chollet-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Husson, Oliver Nüsse, Florence Niedergang, Manouk Abkarian, Karine Guévorkian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Niedergang, Manouk Abkarian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lymphokines

Résistance aux maladies

Biophysique

Mots clés libres

Biophysique

Immunologie

Immunité innée

Biophysics

Immunology

Innate immunity

Résumé

De multiples interfaces se développent entre la biophysique et divers domaines de la biologie, dont l’immunologie, la science qui étudie le système immunitaire. Ce système est composé d’acteurs cellulaires (les leucocytes) qui réalisent des fonctions immunes telles que la phagocytose, un processus qui consiste en l’internalisation de microorganismes ou de cellules mortes par des cellules spécialisées appelées phagocytes. La phagocytose permet, notamment, de limiter la prolifération d’agents pathogènes et d’établir une réponse immune en recrutant d’autres leucocytes sur le site de l’infection pour contrôler celle-ci. Dans cette thèse, nous avons travaillé avec des phagocytes professionnels : des neutrophiles. Quand un neutrophile phagocyte, ses propriétés élastiques (sa capacité à se déformer, sa rigidité) sont modifiées. Une cellule est cependant un matériau viscoélastique : ses propriétés mécaniques ont une partie élastique et une par­ tie visqueuse (la viscosité est ce qui limite la vitesse de déformation d’une cellule). Nous avons cherché à com­ prendre le comportement viscoélastique des neutrophiles pendant la phagocytose. Pour cela, nous avons développé un rhéomètre permettant de quantifier ces propriétés pendant que la cellule phagocyte une micro­ bille de polystyrène couverte d’anticorps. Nous avons tenté de comprendre ce qui pouvait limiter la phagocytose : quand l’objet à internaliser a une surface supérieure aux capacités d’internalisation de la cellule, celui-ci n’est pas totalement internalisé, la phagocytose n’est alors pas complète et est dite frustrée. Nous avons pu établir que les neutrophiles augmentaient non seule­ ment leur surface, mais aussi leur rigidité et leur viscosité pendant la phagocytose. L’augmentation de ces propriétés viscoélastiques est d’autant plus élevée que la microbille à phagocyter est large, sous-entendant un potentiel effet de courbure dans l’évolution de ces propriétés. Nous avons pu montrer que ce n’est pas l’évolution des propriétés viscoélastiques qui limite la phagocytose, mais bien la capacité d’extension de la surface de la cellule. Nous avons comparé le comportement mécanique des neutrophiles à celui de deux autres types de leucocytes : les lymphocytes T CD4+ et les lymphocytes B. Nous avons montré que dans ces deux autres types de leucocytes, l’élasticité et la viscosité de ces cellules augmentaient aussi lors de leur activation par une microbille recouverte d’anticorps pertinents. Il existe par ailleurs dans le lien entre les changements des propriétés élastiques et visqueuses une signature mécanique spécifique du type de leucocyte et de la fonction immune réalisée.

Multiple interfaces are developing between biophysics and various fields of biology, including immunology, the science that studies the immune System. This System is composed of cellular actors (leukocytes) that perform immune functions such as phagocytosis, a process that consists in internalizing microorganisms or dead cells by specialized cells called phagocytes. Especially, phagocytosis allows limiting the proliferation of pathogens and establishing an immune response by recruiting other leukocytes to the site of infection to control it. In this thesis, we have worked with professional phagocytes: neutrophils. When a neutrophil phagocytoses, its elastic properties (its ability to deform, its stiffness) are modified. However, a cell is a viscoelastic material: its mechanical properties have both an elastic and a viscous part (viscosity is what limits the deformation rate of a cell). We have sought to understand the viscoelastic behaviour of neutrophils during phagocytosis. To do so, we have developed a rheometer to quantify these properties while a neutrophil is phagocytosing an antibody-covered polystyrene microbead. We have tried to understand what could limit phagocytosis: when the object to phagocytose has a surface area greater than the cell’s internalization abilities, it is not fully internalized, so phagocytosis is not complete and is said to be frustrated. We were able to establish that neutrophils not only increase their surface area, but also their stiffness and viscosity during phagocytosis. The larger the microbead, the higher the stiffness and the viscosity, implying a potential curvature effect in the evolution of these mechanical properties. We were able to show that it is not the evolution of viscoelastic properties that limits phagocytosis, but rather the ability to extend the cell surface. We then compared the mechanical behaviour of neutrophils with two other types of leukocytes: CD4+ T lymphocytes and B lymphocytes. We showed that, in these other two types of leukocytes, there is also an increase in elasticity and viscosity while they are activated by a microbead coated with relevant antibodies. There is also a mechanical signature in the changes in elastic and viscous properties that is specifies of the type of leukocyte and the immune function that is achieved.