Approches magnétiques de mécanique et d'ingénierie du tissu musculaire squelettique

Magnetic approaches for tissue mechanics and engineering of the skeletal muscle

• Auteur / Autrice : Irène Nagle
• Direction : Claire Wilhelm, Myriam Reffay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : François Graner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Graner, Morgan Delarue, Aurélien Roux, Marie-Emilie Terret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Morgan Delarue, Aurélien Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myoblastes

Filaments intermédiaires

Cellules -- Agrégation

Propriétés mécaniques

Muscles striés

Maghémite

Mots clés libres

Nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques

Muscle squelettique

Myoblaste

Agrégat multicellulaire

Tension de surface

Filaments intermédiaires

Étireur magnétique

Iron oxide superparamagnetic nanoparticles

Skeletal muscle

Myoblast

Multicellular aggregate

Surface tension

Intermediate filaments

Magnetic stretcher

Résumé

La thèse est centrée sur les propriétés mécaniques macroscopiques de tissus modèles. L'incorporation de nanoparticules super-paramagnétiques (maghémite) au cœur des cellules permet à la fois leur manipulation à distance pour créer des agrégats multicellulaires de forme contrôlée et l'application de forces pour mesurer leurs propriétés mécaniques ou induire leur organisation. Les cellules modèles choisies sont des précurseurs de muscle de souris (C2C12), pour une application directe à la mécanique et à l'ingénierie du muscle squelettique. Les déformations des agrégats formés magnétiquement et soumis par la suite à un gradient de champ magnétique permettent de mesurer leurs propriétés mécaniques macroscopiques (tension de surface, module d'Young). Nous avons ainsi pu étudier l'interaction entre les propriétés de la cellule individuelle (adhésions intercellulaires, structure et tension de l'actine) et les propriétés mécaniques à l'échelle du tissu, mettant notamment en évidence l'importance de la désorganisation de la desmine pour la rigidité et la tension de surface macroscopique. En utilisant des cellules exprimant une desmine mutée (mutation ponctuelle présente chez des patients souffrant de desminopathie), nous avons souligné le rôle fondamental de l'architecture du réseau de filament intermédiaire dans ce tissu modèle 3D. Les forces magnétiques ont ensuite été utilisées pour aider la différenciation en cellules musculaires en favorisant leur alignement et en permettant leur stimulation mécanique. Pour ce faire, nous avons développé un étireur magnétique qui étire des agrégats multicellulaires de cellules précurseurs de muscles placées entre deux aimants mobiles et favorise leur différenciation en cellules musculaires alignées. Ce dispositif représente un outil innovant pour étudier les déformations cellulaires sous étirement et la différenciation musculaire.

The thesis is focused on the macroscopic mechanical properties of tissue models. The incorporation of superparamagnetic nanoparticles (maghemite) into the cells enables both their manipulation at distance to create multicellular aggregates of controlled shape and the application of forces to measure their mechanical properties or induce their organization. The cellular model chosen is a mouse muscle precursor cell line (C2C12), for a direct application to tissue mechanics and tissue engineering of the skeletal muscle. The deformations of the aggregate formed magnetically and then submitted to a magnetic field gradient enable to measure its macroscopic mechanical properties (surface tension, Young's modulus). We could therefore look at the interplay between the individual cell properties (cell-cell adhesions, actin structure and tension) and the mechanical properties at the tissue scale revealing the importance of desmin disorganization in macroscopic rigidity and surface tension. By using desmin-mutated muscle precursor cells (point mutations involved in desminopathies), we enhanced the fundamental role of the intermediate filament network architecture in this 3D tissue model. Magnetic forces were then used to promote differentiation into muscular cells by first reproducing their alignment and secondly mechanically stimulating them. To that end, we developed a magnetic stretcher to stretch multicellular aggregates of muscle precursor cells trapped between two mobile magnets and induce their differentiation into aligned muscular cells. This magnetic stretcher represents a new tool to study cell deformation under stretching and muscle cell differentiation.