Force-induced mechanical and biological modifications in in-vitro cultured cells
Modifications mécaniques et biologiques induites dans des cellules en culture par application locale d'une force contrôlée
Résumé
Adherent cells can control their mechanical properties in order to perform crucial biological functions, like division, migration or differenciation. It has now been proved that cells are very sensitive to the mechanical properties of their substrate, which they sense through integrins. Integrins are transmembrane proteins that link the actin cytoskeleton to the extracellular matrix through scaffolding proteins.
We designed an optical tweezers setup controlled by a feedback loop, which allows the application of a constant local force via microbeads bound to the cell integrins. We can thus measure the creep function of a single cell and retrieve an estimate of its rigidity. Simultaneous fluorescence observations allow us to evaluate the impact of force application on the actin repartition within the cell.
We observed that cells stiffen under force application but keep the same rheological response - the creep function still exhibits a power law behavior : J(t) = At^(alpha), in which A decreases on a long time range. Stiffening is coupled to actin recruitment both in the contacts and in the cytoskeleton networtk - up to several µm from the force application point. Stiffening and recruitment dynamics seem strongly correlated.
This work presents an evaluation of the dynamics of cell stiffening under stress, which is a novel insight into the elucidation of the more general phenomenon of mechanotransduction.
We designed an optical tweezers setup controlled by a feedback loop, which allows the application of a constant local force via microbeads bound to the cell integrins. We can thus measure the creep function of a single cell and retrieve an estimate of its rigidity. Simultaneous fluorescence observations allow us to evaluate the impact of force application on the actin repartition within the cell.
We observed that cells stiffen under force application but keep the same rheological response - the creep function still exhibits a power law behavior : J(t) = At^(alpha), in which A decreases on a long time range. Stiffening is coupled to actin recruitment both in the contacts and in the cytoskeleton networtk - up to several µm from the force application point. Stiffening and recruitment dynamics seem strongly correlated.
This work presents an evaluation of the dynamics of cell stiffening under stress, which is a novel insight into the elucidation of the more general phenomenon of mechanotransduction.
Les propriétés mécaniques des cellules adhérentes ont une importance capitale pour l'ensemble de leurs fonctions : division, migration, différenciation, etc. De plus, on sait désormais qu'elles sont très sensibles aux caractéristiques mécaniques de leur substrat, auquel elles sont ancrées par l'intermédiaire des intégrines. Ces récepteurs transmembranaires lient indirectement le cytosquelette d'actine intracellulaire aux protéines de la matrice extracellulaire.
Nous avons conçu un dispositif de pinces optiques contrôlées par une boucle de rétroaction, qui permet d'appliquer aux cellules une force locale constante, via des microbilles liées aux intégrines.
Nous pouvons ainsi mesurer la fonction de fluage de chaque cellule et en tirer une estimation de sa rigidité. Des observations simultanées en épifluorescence permettent par ailleurs d'évaluer les effets de l'application de la force sur la répartition d'actine locale.
Nous avons constaté que les cellules se rigidifient sous l'application prolongée d'une force, tout en gardant le même comportement rhéologique : une fonction de fluage en loi de puissance du temps, J(t) = At^(alpha), où A décroît aux temps longs. Cette rigidification est couplée à un recrutement d'actine au niveau des contacts et au sein du réseau cytsoquelettique (jusqu'à plusieurs µm du point d'application de la force). De plus, les dynamiques de ces deux phénomènes semblent fortement corrélées. Ce travail présente une évaluation de la dynamique de renforcement cellulaire sous contrainte, et ouvre des perspectives prometteuses vers l'élucidation des phénomènes intervenant dans la mécanotransduction.
Nous avons conçu un dispositif de pinces optiques contrôlées par une boucle de rétroaction, qui permet d'appliquer aux cellules une force locale constante, via des microbilles liées aux intégrines.
Nous pouvons ainsi mesurer la fonction de fluage de chaque cellule et en tirer une estimation de sa rigidité. Des observations simultanées en épifluorescence permettent par ailleurs d'évaluer les effets de l'application de la force sur la répartition d'actine locale.
Nous avons constaté que les cellules se rigidifient sous l'application prolongée d'une force, tout en gardant le même comportement rhéologique : une fonction de fluage en loi de puissance du temps, J(t) = At^(alpha), où A décroît aux temps longs. Cette rigidification est couplée à un recrutement d'actine au niveau des contacts et au sein du réseau cytsoquelettique (jusqu'à plusieurs µm du point d'application de la force). De plus, les dynamiques de ces deux phénomènes semblent fortement corrélées. Ce travail présente une évaluation de la dynamique de renforcement cellulaire sous contrainte, et ouvre des perspectives prometteuses vers l'élucidation des phénomènes intervenant dans la mécanotransduction.
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