Approche microfluidique de la réponse des Cellules Tumorales Circulantes aux déformations rapides sous écoulement

Microfluidic approach to Circulating Tumor Cells response to fast flow-induced deformations

• Auteur / Autrice : Emile Gasser
• Direction : Catherine Villard, Jean-Yves Pierga
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/03/2024
• 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 : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivia Du Roure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Villard, Emmanuèle Helfer, Julien Husson, Matthieu Piel, Pierre Joseph
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuèle Helfer, Julien Husson

Mots clés

Mots clés libres

Cellules tumorales circulantes

Mécanobiologie

Microfluidique

Noyau

Cytosquelette

Métastases

Circulating tumor cells

Mechanobiology

Microfluidic

Nucleus

Cytoskeleton

Metastasis

Résumé

Les métastases, responsables d'environ 90% des morts liées au cancer, sont formées par un processus complexe impliquant une phase intermédiaire de dissémination cancéreuse dans la circulation sanguine. Les cellules issues de la tumeur primaire y acquièrent alors le statut de cellules tumorales circulantes (CTCs). Les capillaires sanguins présentant un diamètre typique inférieur à celui de la cellule cancéreuse, et même de son noyau, les CTCs s’y retrouvent soumises à un stress hydrodynamique et à de fortes déformations.Nous nous interrogeons sur la façon dont ces cellules répondent mécaniquement à ces stress et déformations, et sur le lien entre ces réponses et le potentiel métastatique de ces cellules. Pour cela, nous avons développé deux dispositifs microfluidiques, qui constituent des modèles simplifiés in vitro de la microvasculature, et nous sommes intéressés à sept lignées cellulaires de cancer du sein et du colon.Le premier dispositif permet d'étudier la dynamique de déformation et de récupération à des temps courts à l'échelle de la cellule unique. Nous avons pu montrer que le temps d'arrêt des CTCs dans les constrictions dépend en premier lieu de leur taille, puis de leur agressivité: à taille égale, les cellules issues d'un cancer plus agressif traversent plus rapidement les constrictions. Nous avons aussi pu caractériser les propriétés rhéologiques des CTCs au cours de leur déformation et récupération morphologique.De façon intéressante, nous avons observé que le noyau des cellules les plus agressives récupèrent de façon quasiment instantanée. Cette récupération élastique semble être liée à la présence d'une cage de vimentine (filament intermédiaire) entourant le noyau, absente dans les cancers les moins agressifs.Le second dispositif permet, à l'échelle de la population de cellules, de suivre l'effet de déformations répétées sur la survie et l'agressivité des CTCs. Les cellules issues d'un cancer plus agressif semblent mieux survivre, car plus aptes à récupérer des déformations et dommages.Nous espérons, par la compréhension des mécanismes gouvernant la réponse des CTCs à des déformations rapides sous flux, pouvoir identifier des cibles thérapeutiques afin de perturber ces mécanismes et empêcher les CTCs de survivre à leur passage dans la circulation sanguine.

Metastases, which are responsible for about 90% of cancer-related deaths, are formed by a complex process involving an intermediate phase of cancerous dissemination in the bloodstream. There, cells from the primary tumor acquire the status of circulating tumor cells (CTCs). As blood capillaries display diameters typically smaller than both cancer cells and their nuclei, CTCs experience high shear stress and high deformations.We are investigating how these cells respond mechanically to these stresses and deformations, and how these responses relate to their metastatic potential. To this end, we have developed two microfluidic devices as simplified in vitro models of the blood microvasculature, and studied seven cell lines of breast and colon cancer.The first device allows us to decipher short-term dynamics of deformation and recovery at the single cell level. We were able to show that the arrest time of CTCs in constrictions depend firstly on their size, and then on their aggressiveness: for the same size, cells from a more aggressive cancer cross the constriction more quickly. We also characterized the rheological properties of CTCs during their deformation and morphological recovery.Interestingly, we observed that nuclei of more aggressive cells recover almost instantly. This elastic recovery may be linked to the presence of a vimentin (intermediate filament) cage-like structure around the nucleus, missing in the less aggressive cancers.The second device allows to monitor the effect of repeated deformation on CTCs survival and aggressiveness at the cell population level. Cells from a more aggressive cancer have a higher survival rate, as they are expected to better withstand deformations and damages.By understanding of mechanisms governing the response of CTCs to fast flow-induced deformations, we hope to identify new therapeutic targets to disrupt these mechanisms and prevent CTCs from surviving in the blood circulation.