Biomimetic emulsions to probe the mechanics of tissues
Émulsions biomimétiques pour sonder la mécanique des tissus
Résumé
In my PhD work, I used tissue-mimetic systems to understand the physical basis of collective remodeling in biological tissues. In particular, I focused on the interplay between adhesion and mechanical forces and how it controls the emergence of tissue architecture during morphogenesis. Indeed, during morphogenesis, a cell aggregate is subjected to large successive elongations and folds that give rise to the highly organized 3D structures found in the embryo.To study the mechanical pathways of tissue remodeling, we used both an in vitro bottom-up approach, using a minimal set of ingredients to reproduce biomimetic tissues, and an in vivo study aiming at measuring forces inside developing tissues. In both cases, we used biomimetic emulsions that were shown to reproduce the minimal mechanical and adhesive properties of cells in biological tissues. These emulsions are stabilized with phospholipids and can be functionalized with binders to induce specific interactions between the droplets. The first aspect of my project was to study the elasto-plastic behavior of adhesive emulsions under mechanical perturbations, by flowing them in microfluidic constrictions with controlled geometries. Adhesion between the droplets was introduced either through non-specific depletion forces, or through specific binding between biomimetic droplets. Image analysis allowed us to distinguish between an elastic response, in which the droplets deformed and kept their neighbors, and a plastic response, in which droplets rearranged their positions irreversibly. We found that while the presence of adhesion does not affect the global topology of rearrangements of the droplets, it slows down the local dynamics of individual rearrangements. As a result, droplets exhibit larger deformations and are globally aligned with the direction of tissue elongation. That could be the signature of an adhesion-induced polarization process in elongating tissues. The second aspect of my project was done in collaboration with Marie Breau (LBD-IBPS). It consisted in using oil droplets as force sensors in developing zebrafish embryos. In particular, the injection of biocompatible oil droplets in their olfactory placode allowed us to measure the presence of anteroposterior compressive forces that can contribute to axone elongation of the olfactory neurons. Further studies will be conducted in order to obtain the full force map in the placode and decipher the origin of the forces driving axonal growth. These complementary approaches both paved the way to a better understanding of the role of forces and adhesion during morphogenesis.
J’utilise une approche biomimétique pour comprendre les mécanismes physiques qui sous-tendent le remodelage des tissus biologiques. J'étudie en particulier le rôle des interactions entre adhésion et forces mécaniques dans la morphogénèse, processus lors duquel les tissus sont soumis à des élongations et repliements successifs qui modèlent la forme des embryons. Ce sont ces aspects mécaniques que nous étudions par deux approches complémentaires in vitro et in vivo dans un cadre simplifié. En particulier, nous utilisons des émulsions biomimétiques constituées dont les propriétés mécaniques et adhésives miment celles des cellules d’un tissu. Ces émulsions biomimétiques sont stablisées par des phospholipides et peuvent être fonctionnalisées par des ligands spécifiques. Le premier aspect de mon projet consiste à étudier in vitro le comportement mécanique de d'émulsions adhésives soumises à des perturbations mécaniques, en les injectant dans des constrictions microfluidiques de géométrie contrôlée. L'adhesion entre les gouttes est créée soit par des forces de déplétion non-specifiques, soit par des liens spécifiques mimant l'adhésion cellulaire. Par analyse d’image, nous différencions la réponses élastique, dans laquelle les gouttes se déforment à voisinage constant, de la réponse plastique, lors de laquelle les gouttes se réarrangent irréversiblement. Nous avons montré que la présence d'adhésion n'affectait pas la topologie globale des réarrangements, mais pouvait les ralentir localement. En conséquence, les gouttes présentent des déformations plus grandes et s'alignent avec la direction de l'élongation des tissus. Cela pourrait être la signature d'un processus de polarisation induit par l'adhésion dans les tissus en élongation. Le second aspect de mon projet, en collaboration avec Marie Breau, consiste à utiliser des émulsions biocompatibles comme senseurs de forces in vivo. En particulier, nous avons injecté des gouttes la placode olfactive d'embryons de poissons zèbres pour mesurer les forces associées à l'élongation des axones dans ce tissu. Les résultats obtenus suggèrent la présence de forces compressives qui pourraient contribuer à la croissance axonale. Des études plus approfondies seront menées afin de conclure sur l'origine et rôle de ces forces dans le développement de la placode olfactive. Les deux approches complémentaires utilisées pendant ma thèse permettent de lever le voile sur le rôle central des forces et de l'adhésion cellulaire dans la morphogénèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)