Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : BIOPHYSIQUE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Haptotaxie,Mécanotaxie,Guidage,Migration,Micro-impressions,

Keywords

Haptotaxis,Mechanotaxis,Guiding,Migration,Micro patterning,

Titre de thèse

Étude quantitative du guidage cellulaire dans des micro-environnements contrôlés : cas atypiques de rhéotaxie et d’haptotaxie adhésive
Quantitative study of cell guidance in controlled microenvironments: atypical cases of rheotaxis and adhesive haptotaxis

Date

Mercredi 23 Novembre 2022 à 14:00

Adresse

163 avenue de Luminy 13009 MARSEILLE ?

Jury

Directeur de these Mme Marie-Pierre VALIGNAT Aix Marseille Université
Rapporteur Mme Charlotte RIVIERE Institut Lumière et Matière UMR5306 CNRS
Rapporteur M. Nicolas BIAIS IPBS UMR 8237 - Laboratoire Jean Perrin
CoDirecteur de these M. Olivier THEODOLY Laboratoire Adhésion et Inflammation UMR7333 CNRS
Examinateur Mme Anna LABERNADIE Centro Investigación Príncipe Felipe (CIPF)
Examinateur M. Matthieu PIEL Institut Curie UMR144

Résumé de la thèse

La migration cellulaire tient un rôle central chez les organismes multicellulaires, notamment dans les phénomènes de cicatrisation, d’embryogénèse ou de défense du système immunitaire, et les dysfonctionnements migratoires ont des effets pathologiques décisifs par exemple pour la dissémination de cancers. De plus, , des mécanismes de guidage orchestrent la migration cellulaire à l’échelle de la cellule unique et de l’organisme par le biais de nombreux signaux chimiques et mécaniques. Les mécanismes de guidage sont cependant encore mal compris et leur rôle physiologique exact n'est pas toujours bien établi. Dans cette thèse, nous nous intéressons au guidage cellulaire par des stimuli mécaniques et nous tentons d’apporter des pistes pour déchiffrer et modéliser les mécanismes à l’aide d’expérimentations quantitatives in vitro. Dans la première partie de ce travail, on s’intéresse à l’haptotaxie adhésive, c’est à dire au guidage cellulaire par des molécules d’adhésions ancrées sur une surface, et plus particulièrement à l’haptotaxie adhésive “inverse”, lorsque les cellules s’orientent vers les zones les moins adhésives. Ce phénotype atypique n’a été observé que chez le lymphocyte T via l’engagement de l’intégrine LFA-1, et défie tous les mécanismes proposés pour l’haptotaxie adhésive classique vers les zones les plus adhésives. A l’aide de méthodes de micro-impressions optiques, nous avons caractériser la variation de l’haptotaxie adhésive inverse en fonction de la pente du gradient et de la concentration locale de ligands. Nos résultats suggèrent que le mécanisme proposé pour les fibroblastes et basé sur la mechanotransduction des intégrines via la protéine FAK n’est pas impliqué dans l’haptotaxie inverse. Nous avons cependant identifié un effet de la protéine VASP qui relie une asymétrie d’adhésion à l’arrière de la cellule avec une asymétrie de croissance du lamellipode. Dans une seconde partie, on s’intéresse à la migration dirigée par l’intermédiaire d’un flux, ou rhéotaxie, et plus particulièrement au phénotype de migration contre le flux. Ce phénomène atypique a été uniquement décrit chez les cellules immunitaires via l’engagement de l’intégrine LFA-1. La nature du mécanisme, soit active et reposant sur une cascade de signalisation biochimique, soit passive et déterminée par un biais mécanique passif, restent à ce jour toutes deux plausibles. A l’aide d’expériences de micro-fluidique, notre étude décrit pour la première fois un nouveau phénotype de migration contre le flux chez des cellules épithéliales de poissons, les kératocytes. Environ 10% des cellules s’orientent contre le flux et le phénotype est indépendant de l’intégrine LFA-1. Un modèle mécanique sans paramètres ajustables nous a permis d’expliquer l’orientation bimodale des kératocytes sous flux en fonction de leurs seuls paramètres morphologiques. Ce résultat montre que la rhéotaxie versatile des kératocytes peut être expliquée sans mécano-transduction, comme dans les modèles passifs proposés pour les lymphocytes.

Thesis resume

Cell migration plays a central role in multicellular organisms, especially in wound healing, embryogenesis or immune system defense, and migratory dysfunctions have decisive pathological effects, e.g. in the dissemination of cancers. In addition, guidance mechanisms orchestrate cell migration at the single cell and organismal level through numerous chemical and mechanical signals, however guidance mechanisms are still poorly understood and their exact physiological role is not always well established. In this thesis, we are interested in cell guidance by mechanical stimuli and we aim at deciphering and modeling the mechanisms with the help of quantitative in vitro experiments. In the first part of this work, we are interested in adhesive haptotaxis, i.e. cell guidance by adhesion molecules anchored on a surface, and more particularly in "reverse" adhesive haptotaxis, when cells orient themselves towards less adhesive areas. This atypical phenotype has only been observed with T cells and LFA-1 integrin engagement, and its functioning defies all mechanisms proposed for classical adhesive haptotaxis of cells towards more adhesive areas. Using optical microimaging methods, we characterized the variation of reverse adhesive haptotaxis as a function of gradients slope and ligand concentration. While our results rule out the mechanism based on integrin mechanotranstruction and FAK pathway, they identify an effect of the protein VASP that links an asymmetry in the adhesion of cell rear with an asymmetry of lamellipod growth. In a second part, we focus on rheotaxis by flow, and more particularly on the phenotype of cell migration against flow. This atypical phenomenon has only been described in immune cells adhering on substrates via integrins LFA-1. The nature of the mechanism, either active and relying on a biochemical signaling cascade, or passive and determined by a passive mechanical bias, remain both plausible to date. Using micro-fluidic experiments, our study describes for the first time a novel phenotype of migration against flow in fish epithelial cells, or keratocytes. The phenotype is here independent of the integrin LFA-1. On average, 10% of the cells orient against the flow and each cell has an intrinsic orientation phenotype. A mechanical model without adjustable parameters allowed us to explain the bimodal orientation under flow of each keratocyte based on their morphological parameters. This result shows that the versatile rheotaxis of keratocytes can be explained without mechano-transduction, like in passive models proposed for lymphocytes.