Physique des cavités biologiques : de la formation du blastocyste au contrôle de volume

Physics of biological cavities : on blastocyst formation and volume control

• Auteur / Autrice : Mathieu Le Verge-Serandour
• Direction : Olivier Rivoire, Hervé Turlier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Collège de France (1530-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Joanny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Rivoire, Hervé Turlier, Jean-François Joanny, Arezki Boudaoud, Anđela Šarić, Ana-Suncana Smith, Aurélien Roux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arezki Boudaoud, Anđela Šarić

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Modélisation physique

Morphogenèse

Embryon mammifère

Mûrissement hydraulique

Effets osmotiques

Lumenogenèse

Physical modelling

Morphogenesis

Mammalian embryo

Hydraulic coarsening

Osmotic effects

Lumenogenesis

Résumé

Les cavités biologiques, ou lumens, sont omniprésentes dans les organismes multicellulaires : elles assurent le transport de fluides, apparaissent pendant certains cancers ou durant le développement embryonnaire, mais les mécanismes physiques expliquant leur formation sont encore peu élucidés. La première cavité biologique chez les mammifères est le blastocèle, qui émerge durant le développement préimplantatoire au stade 32 cellules. Le blastocèle brise la symétrie radiale de l’embryon, lui permet d’éclore de la zone pellucide et de s’implanter dans l’endomètre. Cette thèse vise à proposer des mécanismes physiques expliquant l’apparition du blastocèle chez la souris et le contrôle de sa taille. Tout d’abord, je montre qu’au stade 32 cellules, l’accumulation de fluide pressurisé fracture les contacts cellulaires et forme un réseau de microcavités. En postulant un modèle hydraulique, je montre que l’émergence du blastocèle pourrait être attribuée à l’échange de fluide entre microcavités, dans un processus de mûrissement similaire au mûrissement d’Ostwald. Ce modèle est suffisant pour expliquer la position biaisée du blastocèle au sein de l’embryon grâce aux différences de contractilité des cellules. J’étends ensuite le modèle pour inclure les effets de perméation et de gradients osmotiques. Je montre sur une chaîne de microcavités 1D que la dynamique est principalement contrôlée par les effets hydrauliques qui dominent les contributions osmotiques. Ce modèle est réminiscent des films de démouillage et prédit l’existence d’une loi de puissance dynamique pour le régime de mûrissement. De plus, l’ajout d’un pompage actif de soluté enrichit la dynamique du modèle et prédit un nouveau régime dominé par la coalescence, ainsi qu’un biais dans la position du blastocèle sous pompage spatialement hétérogène, un mécanisme de positionnement complémentaire aux gradients de contractilité. Enfin, j’étudie les mécanismes biophysiques qui contrôlent la taille d’une cavité biologique, en particulier le blastocèle de souris. D’une part, je détermine les effets de chocs osmotiques sur ce système enfermé dans une coquille élastique, comme la zone pellucide, afin de déterminer les caractéristiques mécaniques de la coquille. D’autre part, je généralise le modèle de pompe-fuite pour le contrôle de volume cellulaire à trois compartiments (extérieur, cellule, lumen), en incluant les espèces chargées majoritaires (sodium, potassium, chlorure), le potentiel électrochimique et le potentiel de membrane. Je montre que la stabilité de la cavité dépend de la présence de protéines chargées imperméables et des taux de pompage cellulaire et luminal. Ces modèles physiques mettent en lumière le rôle essentiel des écoulements hydrauliques et du contrôle électroosmotique dans le développement, avec de nombreuses applications au-delà de l’embryogenèse.

Biological cavities, or lumens, are ubiquitous in multicellular organisms. They provide fluid transport, appear during certain cancers or embryonic development, but the physical mechanisms explaining their formation are still poorly understood. The first biological cavity in mammals is the blastocoel, which emerges during preimplantation development at the 32-cell stage. The blastocoel breaks the radial symmetry of the embryo, allows it to hatch from the zona pellucida for implantation into the endometrium. This thesis proposes physical mechanisms explaining the appearance of the blastocoel in mice and the control of its size. First, I show that at the 32-cell stage, the accumulation of pressurized fluid fractures the cell contacts and forms a network of microcavities. By postulating a hydraulic model, I show that the emergence of the blastocoel could be attributed to the exchange of fluid between microcavities, in a coarsening process similar to Ostwald ripening. This model is sufficient to explain the biased position of the blastocoel within the embryo through differences in cell contractility. I then extend the model to include the effects of permeation and osmotic gradients. I show on a chain of 1D microcavities that the dynamics are mainly controlled by hydraulic effects which dominate over osmotic contributions. This model is reminiscent of de-wetting films and predicts the existence of a dynamic power law for the coarsening regime. Moreover, the addition of active solute pumping enriches the dynamics of the model and predicts a new regime dominated by coalescence, and predicts that the position of the blastocoel may be biased by spatially heterogeneous pumping, a positioning mechanism complementary to the contractility gradients. Finally, I study the biophysical mechanisms that control the size of a biological cavity, and in particular the mouse blastocoel. On the one hand, I study the effects of osmotic shocks on this system enclosed in an elastic shell, such as the zona pellucida, to determine the mechanical characteristics of the shell. On the other hand, I generalize the pump-leak model of cell volume control to three-compartment (exterior, cell, lumen), including the main charged species (sodium, potassium, chloride), the electrochemical potential, and the membrane potential. I show that cavity stability depends on the presence of impermeable charged proteins and cellular and luminal pumping rates. These physical models highlight the essential role of hydraulic flows and electroosmotic control in development, with many applications beyond embryogenesis.