Soutenance de thèse de Huicheng MENG

La taille et la forme d'une cellule ou d'un tissu en croissance sont en partie imposées par la mécanique. Pour quantifier la mécanique des tissus, différents outils ont été développés pour mesurer l'impact des forces mécaniques à l'échelle des cellules et des tissus. L'ablation laser est un outil puissant pour déduire les forces mécaniques car elle ne nécessite pas de contact direct et peut donc être utilisée pour sonder la mécanique in vivo, tant à l'échelle cellulaire que tissulaire. L’ablation laser utilise un laser pulsé nano- ou femto-seconde pour détruire localement les structures cellulaires et déduire des informations sur la tension initialement supportée par la structure par la mesure de la relaxation qui s’en suit. Les ablations à l'échelle multicellulaire évaluent une échelle mésoscopique particulièrement bien adapté à la mécanique des milieux continus et fournissent des mesures robustes en faisant la moyenne de la réponse sur un ensemble de cellules. Elles constituent donc un outil idéal pour étudier l'état de tension des tissus biologiques. Cependant, la plupart des spécimens biologiques sont des structures tridimensionnelles, ce qui rend très difficile les ablations multicellulaires car le laser d'ablation ne peut être facilement dirigé que bidimensionnellement dans le plan focal de la lentille d'imagerie. Nous avons construit un système d'imagerie et d'ablation laser sur mesure qui adapte son schéma de balayage à la forme incurvée des monocouches cellulaires, qui sont des structures courantes dans les embryons et les organes en développement. La surface de la monocouche est d'abord estimée à l'aide d'informations 3D à haut contenu provenant d'un microscope confocal à disque rotatif (spinning disc). Ensuite, un laser d'ablation femto-seconde proche infrarouge (fs-NIR) est balayé le long d'une trajectoire 3D sur la surface pour perturber localement les structures cellulaires. Avec ce système d'ablation adaptatif, nous avons pu sonder avec succès l'état de tension du disque imaginal de l'aile de la drosophile, un système modèle important pour étudier la croissance et la morphogenèse. Nous démontrons également qu'en l'absence d'un spinning disc, on peut estimer une surface d'intérêt à partir d'un balayage rapide du volume avec le seul laser NIR en mode Lissajous. Les approches de balayage intelligent que nous avons développées peuvent être appliquées à un large éventail de contextes où le balayage d'un laser le long d'une structure d'intérêt estimée est nécessaire : imagerie, ablation ou optogénétique.

The size and shape of a growing cell or tissue are partly imposed by mechanics. To quantify tissue mechanics, different tools have been developed to investigate the impact of mechanical forces at the cell and tissue scales. Laser ablation (LA) has emerged as a non-contact tool to infer mechanical forces in vivo, which can be used to probe mechanics in vivo, both at the cellular and tissue scales. LA uses a nano- or femtosecond pulsed laser to locally disrupt cellular structures and infer information on the tension initially born by the structure from the recoil after ablation. LA at the multicellular scale assess a mesoscopic scale which translates naturally to continuum mechanics and provide robust measurements by averaging the response of multiple cells. They are thus an ideal tool to investigate the tensile state of biological tissues. However, for the most part, biological specimens are 3D structures, which makes it very difficult to severe the tissue on multicellular scale as the ablation laser can be easily steered only in the focal plane of the imaging lens. We have built a custom-designed imaging and laser ablation system which adapts its scan-scheme to the curved shape of cell monolayers, which are prevalent structures in embryos and developing organs. The surface of the monolayer is first estimated using high content 3D-information from a spinning disc confocal. Then a fs-pulsed near infrared (NIR) ablation laser is scanned along a 3D trajectory on the surface to locally disrupt cell structures. With this adaptive ablation system we could successfully probe the tensile state of the Drosophila wing imaginal disc, and important model system to study growth and morphogenesis. We also demonstrate that in the absence of a spinning disc confocal, one can estimate a surface of interest from a rapid scan of the volume with a NIR laser in Lissajous mode. The smart-scanning approaches we developed can be applied to a wide range of context where scanning a laser along an estimated structure of interest is required: imaging, severing or opto-genetics.