Long-term regulation of colorectal cancer cells under mechanical stress
Régulation à long terme des cellules cancéreuses colorectales sous contraintes mécaniques
Résumé
How cancer cells interact with their environment in situ has major implications for understanding tumor pathophysiology and response to therapy. Indeed, the tumor microenvironment strongly influences the tumor fate and more particularly a specific subpopulation of tumor cells that are recovering properties of stem cells, called cancer stem-like cells, which are extremely plastic. These cells are assumed to be largely responsible for tumor progression, treatment resistance and relapse. However, during tumor progression, the physical properties of the tumor microenvironment are also strongly modified compared to the surrounding healthy tissue. Therefore, cancer cells undergo major variations in the physical forces they withstand, including rigidification of the extracellular matrix and proliferation in a confined space. Thus, it is important to understand how this environment impacts them to better target therapeutic strategies. To disentangle the many factors that influence the structure, mechanics and function of tumor tissues and cells, our team has developed numerous hydrogel-based microsystems to reproduce in a standardized way the mechanical environment that the tumor undergoes in vivo. It is within this framework that my research project aims at understanding how the tumor environment, from a mechanical point of view, influences the long-term cancer cell fate. To do so, I combine two complementary approaches: mechanical compression is imposed either in 2D by confining isolated cancer cells, or in 3D by isotropically compressing tumor spheroids. Firstly, I was able to demonstrate, in a colorectal cancer cell line, structural changes in the nucleus, regulated temporally over several days. Contrary to what happens during short-term confinement, I have shown for the first time a global nuclear regulation during prolonged uniaxial confinement, with a decrease of the nuclear volume in 24 hours, and a reset of the nuclear shape. Surprisingly, this regulation is not related to a reduced growth during cell cycle progression but occurs during confined cell division. Moreover, these nuclear changes are preserved during the next cell generation allowing the nucleus to reach homeostasis. These results may change the understanding of how physical parameters of the tissue influence cell growth and division since the key role of division in the adaptation of cancer cells to prolonged mechanical stress has never been shown before. To better characterize the impact of mechanical stress on tumor fate, it was still necessary to make the model more complex and to integrate the microenvironment. Therefore, in addition to this fundamental work on isolated cells, the second challenge of my thesis was to reproduce in vitro, on a 3D model tissue (tumor spheroids), the constraints to which tumors are subjected in vivo. By combining a control of the physical and nutritive environment, I was able to subject growing spheroids to a combined mechanical and metabolic stress. I was able to show the important role of the tumor nutrient environment in cell plasticity and fate while demonstrating the appearance of a cancer stem cell population under mechanical stress. My results open new questions on the interaction between the nutrient and mechanical environment, both influencing the phenotype and gene expression of colorectal spheroids. All these changes are not without consequences and could explain in part the failure of current therapies to bring a complete cure to the largest number of cancer patients.
La manière dont les cellules cancéreuses interagissent avec leur environnement in situ a des implications majeures sur la compréhension de la physiopathologie tumorale et la réponse au traitement. En effet, le microenvironnement tumoral influence fortement le devenir tumoral et plus particulièrement une sous population de cellules particulières, possédant des propriétés souches (appelés cellules souches cancéreuses) qui sont extrêmement plastiques. Ces cellules sont supposées actuellement être en grande partie responsables de la progression tumorale, la résistance aux traitements et des rechutes. Cependant, au cours de l’évolution tumorale, les propriétés physiques du microenvironnement tumoral sont également fortement modifiées par rapport aux tissus sains environnants. Les cellules cancéreuses subissent donc des variations majeures des forces physiques qu’elles supportent avec notamment la rigidification de la matrice extracellulaire et la prolifération dans un espace confiné. Il est donc important de comprendre comment cet environnement les impacte afin de mieux cibler les stratégies thérapeutiques. Pour démêler les nombreux facteurs qui influent sur la structure, la mécanique et la fonction des tissus et cellules tumorales, l’équipe a développé de nombreux microsystèmes en hydrogel afin de reproduire de façon standardisée in vitro l’environnement mécanique que subit la tumeur in vivo. C’est dans ce cadre que mon projet de recherche s’évertue à comprendre comment l’environnement tumoral, d’un point vue mécanique, influe sur le devenir cellulaire cancéreux à long terme. Pour cela, je combine deux approches complémentaires : une compression mécanique est imposée soit en 2D en confinant des cellules cancéreuses isolées, soit en 3D en comprimant de façon isotrope des sphéroïdes tumoraux. Dans un premier temps, j’ai pu mettre en évidence, sur une lignée de cancer colorectal, des modifications structurales au niveau du noyau, régulées de manière temporelle sur plusieurs jours. Contrairement à ce qui se passe pour un confinement à court terme, j’ai mis en évidence pour la première fois une régulation nucléaire globale lors d'un confinement prolongé, avec une diminution du volume nucléaire en 24h, et une réinitialisation de la forme nucléaire. De manière surprenante, cette régulation n’est pas liée à un ralentissement de la croissance au cours de la progression dans le cycle cellulaire mais se produit lors de la division cellulaire confinée. De plus, ces changements nucléaires sont conservés lors de la génération cellulaire suivante permettant au noyau d’atteindre une homéostasie. Ces résultats pourraient changer la donne pour ce qui est de comprendre comment les paramètres physiques du tissu influencent la croissance et la division des cellules puisque le rôle clé de la division dans l’adaptation des cellules cancéreuses à des contraintes mécaniques prolongées n’a jusqu’alors jamais été montré. Afin de mieux caractériser l’impact des contraintes mécaniques sur le devenir tumoral, il était encore nécessaire de complexifier le modèle et d’intégrer le microenvironnement. De ce fait, en plus de ce travail fondamental sur les cellules isolées, le deuxième enjeu de ma thèse a été de reproduire in vitro, sur un tissu modèle 3D (sphéroïdes tumoraux), les contraintes auxquelles sont soumises les tumeurs in vivo. En combinant un contrôle de l’environnement physique et un contrôle du contenu du milieu de culture, j’ai pu soumettre des sphéroïdes en croissance à un stress mécanique et métabolique combiné. J’ai, d’abord, pu montrer le rôle primordial de l’environnement nutritif tumoral dans la plasticité et le destin cellulaire tout en mettant en évidence l’apparition d’une population de cellules souches cancéreuses sous contrainte mécanique. Mes résultats ouvrent ainsi de nouvelles questions sur l'interaction entre l'environnement nutritif et mécanique, influençant tous deux le phénotype et l'expression génique des sphéroïdes colorectaux.
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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