Propriétés mécaniques passives et actives de cellules ...
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Propriétés mécaniques passives et
actives de cellules vivantes isolées
Propriétés Passives Viscoélasticité des tissus
structure propagation de la force
Propriétés Actives
Réponse mécanique à un signal biochimique
chemo-attractant,adhesion polarisation, migration
Réponse Mécanique/biochimique à un signal mécanique:
mécano-transduction
cellules cultivées: toujours sous tension
sécrétions d’un épithélium modulées par la flux sanguin
nucleus
Mécanique fonction biologique
Cellule et mécanique
Membrane plasmique
Protéines transmembranaires d’adhérence
matrice extracellulaire (collagène,...)
noyau
Cytosquelette dynamique (2D-3D) : - Filaments d’actine (Ø=8nm, Lp=15µm)
- Filaments intermédiaires (Ø≈10nm, Lp≈500nm)
- Microtubules (Ø=25nm, Lp ≈ qq mm)
Cellule et mécanique
15 µm
Appliquer à la cellule une contrainte contrôlée et déterminer sa:
Réponse mécanique
Mesure de déformation (fluage)
Détermination du module viscoélastique
Avec collaborations
Réponse structurale
visualisation du cytosquelette par fluorescence
Réponse biochimique (génétique)
suivi de marqueurs d’activité protéique ou génétique
Propriétés passives
F
-F
Observer l’évolution d’une cellule dans une géométrie (3D) prédéfinie et
simple :
Activité mécanique
Mesure de la force appliquée par une cellule
Corrélation avec l’évolution de sa forme
Avec collaborations
Réponse structurale
visualisation du cytosquelette par fluorescence
F
-F
Propriétés actives
Propriétés passives:
Rhéologie à l’échelle d’une cellule vivante
t
0
Solide linéaire standard
t
0
Liquide avec élasticité instantannée
t
0
liquide
Bausch et al., Biophys J. 1998
Wilhelm et al., Phys Rev E. 2003
Wu et al., Scanning. 2003
Mesures locales, domaine temporel
t
0
Solide linéaire standard
t
0
Liquide avec élasticité instantannée
t
0
liquide
Bausch et al., Biophys J. 1998
Wilhelm et al., Phys Rev E. 2003
Wu et al., Scanning. 2003
Quelques temps caractérisqtiques
Dissipation visqueuse
Comportements très différents
Mesures locales, domaine temporel
1 m m
T torque
displacement
twisting
field
Fabry et al., Phys Rev Lett. 2001
Rhéométrie locale, analyse en fréquence
0.001
0.01
1
0.1
G’, G” [Pa/nm]
0.01 0.1 1 10 100 1000 f [Hz]
1 m m
T torque
displacement
twisting
field
Comportement de milieu vitreux mou Hors d’équilibre Désordre structural Métastabilité Température effective (transition vitreuse)
Fabry et al., Phys Rev Lett. 2001
G*() = G0(2-x)(j 0)x-1 + jm
Pas de temps caractéristiques
Elasticité et dissipation d’origine commune
Comportement unique conservé
Rhéométrie locale, analyse en fréquence
0.001
0.01
1
0.1
G’, G” [Pa/nm]
0.01 0.1 1 10 100 1000 f [Hz]
MOYENNES !
Méthodes de caractérisation
Méthodes de caractérisation
Principe de l’étirement uniaxial
Microplaque flexible (“ressort” de raideur k)
Microplaque rigide
Thoumine et Ott, J. Cell Sci. 110 p 2109 (1997)
d
D Déplacement
Déflexion
Thoumine et Ott, J. Cell Sci. 110 p 2109 (1997)
F = k d Force
Microplaque flexible (“ressort” de raideur k)
Microplaque rigide
Principe de l’étirement uniaxial
1. De l’étirement uniaxial au rhéomètre à cellule unique
L’étirement uniaxial
d(t)
D
L(t)
d(t)
D
L(t)
L(0)
L(0)
L(0)L(t))(
t
0
')'()'()0()()( dttttJtJt
relation contrainte-déformation
)0et 0(
0 Extrêmement difficile de déterminer J
Lamelle souple (k)
Lamelle rigide
S
tFt
)()(
)(.)( tktF d
Contrainte :
Déformation :
S’affranchir du produit de convolution oscillations (())
)0( ou contrainte constante
1 m m
T torque
displacement
twisting
field
Comportement de milieu vitreux mou Hors d’équilibre Désordre structural Métastabilité Température effective (transition vitreuse)
Fabry et al., Phys Rev Lett. 2001
G*() = G0(2-x)(j 0)x-1 + jm
Pas de temps caractéristiques
Elasticité et dissipation d’origine commune
Comportement unique conservé
Rhéométrie locale, analyse en fréquence
0.001
0.01
1
0.1
G’, G” [Pa/nm]
0.01 0.1 1 10 100 1000 f [Hz]
MOYENNES !
d
1. De l’étirement uniaxial au rhéomètre à cellule unique
Le rhéomètre )0(
)0()()( tJt
À contrainte constante : mesure de J mesure de la déformation
F = k.d
d constante 0
µm10d11 .15.3, µmnNkµmnNOO
µNFpN 1300
x
z
y
Plaque étirée Capillaire
rigide
5mm
Rhéomètre à cellule unique
Desprat et al., Rev.Sci. Instrum. 77, 055111-1 (2006)
x
z
y
x
y
z
objectif
Desprat et al., Rev.Sci. Instrum. 77, 055111-1 (2006)
Rhéomètre à cellule unique
Piezo Piezo
PID
Expérience de fluage
Piezo Piezo
PID
d
Déflexion
F = k d Force
Expérience de fluage
Piezo Piezo
PID
d
Déflexion
D (t)
Déplacement
croissant
F = k d = cste Force
Expérience de fluage
Piezo Piezo
PID
d
D (t) Force F = k d = cste
Déplacement
croissant
Déflexion
Expérience de fluage
Piezo Piezo
PID
d
D (t) Force F = k d = cste
Elongation cellulaire D(t) sous force constante
Déplacement
croissant
Déflexion
Expérience de fluage
5 mm
Traitement des plaques au Glutaraldheyde, adhésion non spécifique
Expérience de fluage
L0 L(t)
0
0)(L
LtL (t) =
F0 = k d0 = cst Force
Déformation
0.1
1
10
0.1 1 10 100 1000 104
str
ain
time (s)
str
ain
(t)=A.t d0
Pas de temps caractéristiques
Expérience de fluage
0.1
1
0.1 1 10 100
y = 0.31032 * x (̂0.25668) R= 0.9997
str
ain
time (s)
0.1
1
0.1 1 10 100
y = m1*(1-m2*exp(-(m0/m3)))+...
ErrorValue
0.00238090.63647m1
0.00367390.55928m2
0.159539.0841m3
3.9603e-050.0041108m4
NA0.067816Chisq
NA0.99803R
time (s)
str
ain
Comparaison aux modèles mécaniques simples
E
E’ h
h’ Pas de temps caractéristiques
(t)=A.t
0.0001
0.001
0.01
0.1
0.1 1 10 100 1000
time (s)
f(t)
(Pa
-1)
primary cultured macrophages HeLa (epithelial cells) C2.7 (myoblast) primary cultured fibroblast V+/+
cellules cancéreuses F9, J774 macrophages alvéolaires, A549 de
l’épithélium alvéolaire, BEAS-2B des bronches, neutrophiles humains
Comportement « universel »
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Pla
te t
ip/b
as
is p
os
itio
n (
µm
)
Time (s)
100
1000
0,01 0,1 1 10
G' ,
G'' (P
a)
Frequency (Hz)
d(t) = d sin (t) p tie 0)(~
)(
0)(~ tie
Module viscoélastique à faibles déformations
Comportement en loi de puissance cohérent
Linéarité à fortes déformations Desprat et al., Rev.Sci. Instrum. 77, 055111-1 (2006)
Calculs
The fundamental relation
of linear viscoelasticity
t
tdtttJtJt0
)()()0()()(
Then becomes
t
tdtttJtJt0
)()0()()0()()(
Laplace transform then yelds )](
~)0(1[
)(~
)0()(~
sJs
sJs
Assuming that AttJ )( as measured in the creep regime, one finds
1 )1(
]A)0()1([)(
n
n
n
tt
Thus, at high strains, deformation should well be described by a sum of integer
powers of the creep function J(t)
AFM: L~30 nm ~ 0,20 ; G0 ~ 710 Pa (Alcaraz et al., Biophys J., 2003)
MTC; OT: L~3 mm ~ 0,20 ; G0 ~ 300 à 3000 Pa (Fabry et al., Phys Rev E., 2003)
(Balland et al., E. Biophys. J., 2005)
Auto-similarité ?
En accord avec nos mesures à l’échelle de la cellule L~30 mm
G0 = 660 Pa
Soft Glassy Material or … Fractal Gel
ffG)1(A
)2
cos()2(
)(
tAtJ .)(
T.F
Un modèle simple de comportement
On modélise le réseau d’actine par une série infinie d'unités viscoélastiques élémentaires imbriquées et présentant une distribution large p() de temps de relaxation
F0
1 2 3 i
Réseau d'actine : - filaments individuels - faisceaux - fibres
inégalement distribués dans le corps cellulaire
Distribution des temps de réponse
p() ~ -2 en loi de puissance fonction de fluage J(t) aussi
1
0
2
1
)exp()exp(
tdtt
dt
dJ
i i
Prédiction conforme aux observations expérimentales
Hypothèses simples: - N(d) nombre d'unités de taille d N(d) ~ d-a si structure self-similaire - temps de ralaxation liés à l’échelle spatiale : ~ db
Alors p() ~ -2 avec = 1 - a/b
Soit J(t) ~ t
Balland et al., Phys.Rev.E 74, 021911 (2006)
…
t 1 m 2 3 4 5 6 8 7
…
t 1 m 3 4 5 8
Réponse du système Distribution complète (idéale)
Distribution incomplète : on conserve aléatoirement une fraction s des éléments (Simule la variabilité d’une cellule à l’autre )
Distribution complète dJ/dq =A0 q0-1
Ensemble de distributions incomplètes dJ/dq =A q-1
Ln
(dJ
/dq
)
Ln (q t/m)
dJ/dq =A q-1
J(q) = (A/) q s = 0.1 0 = 0.20
0
50
100
150
200
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,250
20
40
60
80
100
120
140
-3,6 -3,2 -2,8 -2,4 -2 -1,6
Dispersion des coefficients de la loi de puissance
J(q) = A q
Exposant
Préfacteur A Ln (préfacteur) = ln(A)
- Distribution normale des exposants
- Distribution log-normale des préfacteurs A cf résultats expérimentaux
Soft Glassy Material or …
Like foams, emulsion, sluries
Desordered medium with a great number of elements and out of equimibrium
Interaction between mesoscopic elements leads to
large distributions of sizes and relaxation times:
no characteristic time scale
specific relaxation processes :
non viscous dissipation
Parameter of control x (noise temperature)
power law rheological behaviour, = x - 1
Soft Glassy Materials (SGM) Materials at the « Sol-Gel » transition
foams, emulsions, pastes, slurries Partially polymerized gels
- Out of equilibrium
- Permanent structural rearrangement
- Fixed structure
- Fractal dimension
Dynamic origin Structural origin
Sollich, Phys. Rev. E (1998) Winter et al., J. of Rheology (1986)
Possible origins of the power law behavior