Thèse soutenue

Forces dans un microvaisseau-sur-puce : développement du système, mécanique poroélastique et réponse cellulaire

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Auteur / Autrice : Claire Dessalles
Direction : Abdul I. BarakatAvin Babataheri
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
Date : Soutenance le 15/09/2021
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-....)
Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
Jury : Président / Présidente : Pierre Sens
Examinateurs / Examinatrices : Abdul I. Barakat, Avin Babataheri, Andries Van der meer, Benoît Ladoux, Guillaume Charras, Kristen Mills
Rapporteurs / Rapporteuses : Andries Van der meer, Benoît Ladoux

Mots clés

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Résumé

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Les cellules endothéliales qui tapissent la paroi des vaisseaux sanguins sont capables de détecter et de répondre aux nombreuses forces mécaniques présentes dans le système microvasculaire. Bien que l'influence de forces dues au cisaillement, à la rigidité et à la courbure soit bien étudiée, le rôle de l'étirement et de la tension de la paroi vasculaire demeure peu compris, en particulier dans le cas des monocouches jointives. Les plateformes in vitro telles que les organes sur puce sont idéales pour l'étude de ces phénomènes, puisqu'elles offrent une panoplie de stimuli mécaniques contrôlables et caractérisables .Le premier étape de ma thèse a été le développment d'un microvaisseau-sur-puce, constitué d'un hydrogel, permettant de générer à la fois le cisaillement et l'étirement circonférentiel de manière pulsatile, par l'actionnement par flux. Le concept est le suivant: en imposant un certain débit dans le microcanal, la pression luminale augmente à cause de la résistance hydraulique du canal, ce qui dilate le vaisseau. J'ai ensuite réalisé une caractérisation exhaustive du comportement mécanique du système et démontré que le cisaillement et l'étirement couvrent les plages de valeurs physiologiques. Puisque les deux contraintes découlent de la pression luminale, le cisaillement et l'étirement sont intrinséquement couplés. Pour contrôler chaque contraintes indépendemment, j'ai exploré trois stratégies: (1) l'ajout d'une résistance hydraulique de longueur variable à la sortie du microcanal, (2) le changement de la largeur de l'hydrogel, et (3) la variation de la concentration de l'hydrogel. J'ai également démontré que la monocouche endothéliales agit comme une barrière contre le flux, ce qui explique les déformations plus importantes obtenues dans les canaux endothélialisés par rapport aux canaux sans monocouche cellulaire.L'actionnement par flux luminal peut également être vu comme un essai de compression hydraulique. La deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l'étude de la dynamique du gel poroélastique dans ce nouvel essai. Trois réponses majeures ont été analysées : la dynamique de la dilatation du canal après une marche de pression, le champ de déformation et la propagation d'ondes dans le gel. Chacune de ces réponses conduit à des comportements dynamiques complexes, qui peuvent être exploités afin de calculer les paramètres poroélastiques de l'hydrogel, notamment le module d'Young et la permeabilité.La dernière partie de ma thèse a consisté en l'étude de la réponse des monocouches endothéliales à des forces de tractions statiques, où j'ai mis en évidence un nouveau comportement. Les cellules endothéliales ont été fortement remodelées, alignant leur forme globale, leur cytosquelette et leur noyau dans la direction de l'étirement, et cet effet était dépendant de la magnitude de la tension. Les jonctions adhérentes se sont remodelées en jonctions adhérentes focales, une structure spécialisée qui se forme sous tension. Le réseau d'actine corticale s'est également réorganisé en fibres de stress et les jonctions adhérentes focales ont permis la formation de câbles d'actine transcellulaires circonférentiels. En parallèle, j'ai proposé un cadre hypothétique pour la mécanique au long terme des monocouches observées dans cette expérience.En résumé, pendant ma thèse j'ai développé un microvaisseau-sur-puce qui peut soumettre les cellules à des forces de tension, caractérisé son comportement mécanique en détail, et étudié la réponse des cellules aux forces de tractions dans ce système, révélant un nouveau comportement collectif.