Soutenance de thèse de Leda LACARIA

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Biotechnologie
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
mechanique,dynamique,cellulaire,,
Keywords
mechanics,dynamics,Cellular,,
Titre de thèse
Régulation de la mécanique cellulaire par la dynamique du cytosquelette: microscopie à force atomique et optique combiné
Cell mechanics regulation by cytoskelton dynamics: Combined atomic force and optical microscopy
Date
Vendredi 16 Décembre 2022 à 11:00
Adresse
Hexagone 172 Av. de Luminy, 13009 Marseille, France
Auditorium Hexagone
Jury
Directeur de these M. Felix RICO Adhesion and Inflammation Lab (LAI) U1067 INSERM & CNRS & Aix-Marseille Université
CoDirecteur de these M. Loic LE GOFF CNRS, Institut Fresnel
Président Mme Cécile LEDUC CNRS, Institut Jaques Monod
Examinateur Mme Kheya SENGUPTA CNRS, CINAM, Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Nuria GAVARA University of Barcelona, Medicine Faculty
Examinateur M. Frank LAFONT CNRS, Centre d'Infection et d'Immunité de Lille- Institut Pasteur de Lille
Rapporteur Mme Malgorzata LEKKA Institute of Nuclear Physics · Department of Biophysical Microstructures

Résumé de la thèse

Dans le processus complexe d'invasion du cancer et de formation de métastases, les cellules cancéreuses se détachent de la tumeur primaire et migrent, entrant et sortant des cavités exiguës entre d'autres cellules qui forment les tissus environnants. Dans ce cheminement si ardu, les cellules cancéreuses doivent se déformer sous des micro-constrictions et résister et survivre à de fortes contraintes mécaniques. Ceci suggère que la formation de métastases n'est pas seulement le résultat d'une différenciation cellulaire, de mutations génétiques, de signalation, mais aussi d'un équilibre entre forces et contraintes mécaniques. En effet, il a été démontré que les cellules cancéreuses malignes sont plus molles que les cellules bénignes, une caractéristique qui peut être importante pour comprendre les métastases. Les cellules peuvent produire et détecter des forces. Ces signaux mécaniques sont impliqués dans de nombreux processus et fonctions cellulaires pertinents tels que la migration, la division, la différenciation et la réponse immunitaire. Les signaux mécaniques sont générés par le cytosquelette, un réseau complexe de filaments protéiques, qui peut maintenir une tension s'il est ancré au substrat ou à des jonctions avec d'autres cellules, maintenir la rigidité cellulaire et ainsi former l'échafaudage structurel de la cellule. Le cytosquelette est en transformation continue et son remodelage et sa structure influencent la déformabilité des cellules. Ainsi, la compréhension de la déformabilité et de la mécanique des cellules cancéreuses et de la dynamique du cytosquelette est importante pour mieux comprendre les mécanismes complexes du cancer. Cependant, cette interaction entre la structure et la mécanique du cytosquelette est mal comprise, principalement en raison du manque d'outils disponibles combinant la mécanique et les informations moléculaires structurelles. Dans cette thèse, nous analysons la corrélation entre la mécanique cellulaire, l'organisation du cytosquelette et la malignité, en divisant le travail en trois parties : 1) Dans la première partie nous mesurons les propriétés mécaniques des cellules de mélanome humain avec et sans intégrine spécifique αvβ3, M21 et M21L respectivement. αvβ3 est une protéine impliquée dans l'adhésion cellulaire au substrat et l'ancrage du cytosquelette à la matrice extra-cellulaire (ECM). Sachant des travaux antérieurs que les cellules M21 sont plus agressives et malignes que M21, nous montrons que les cellules M21 sont plus rigides que M21L. 2) Dans la deuxième partie, nous développons une approche pour corréler la mécanique cellulaire avec la structure du cytosquelette combinant la microscopie à force atomique (AFM) à cartographie de force haute résolution, la microscopie à force de traction (TFM) et la microscopie à fluorescence, y compris la microscopie à polarisation, et le micropatterning. 3) Dans la troisième partie, nous utilisons l'approche développée pour comparer la mécanique et la structure du cytosquelette des cellules cancéreuses du sein humaines malignes et bénignes, respectivement les cellules HMLER et HMLE. Les cellules HMLER ont été obtenues à partir de cellules HMLE activant la voie Ras pour induire l'EMT et la formation de métastases dans des expériences in vivo. Nous montrons que les HMLER sont plus souples que les HMLE, et ceci est le résultat de la distribution de la rigidité dans différentes zones de cellules. De plus, les HMLER présentent un volume cellulaire inférieur, une distribution différente de l'actine et expriment plus de vimentine de filament intermédiaire que les HMLE. Nous montrons également que les forces de traction sont distribuées différemment dans HMLE et HMLER ainsi que l'ordre et l'orientation moléculaire de l'actine. En conclusion, l'approche développée permet de corréler la mécanique cellulaire et l'organisation du cytosquelette ouvrant la porte à d'autres applications.

Thesis resume

In the complex process of cancer invasion and metastasis formation, cancer cells detach from the primary tumor and migrate, entering and exiting the cramped cavities between other cells that form the surrounding tissues. In this so arduous path cancer cells need to deform under micro-constrictions and to resist and survive strong mechanical stress. This suggests that the metastasis formation is not only the result of cell differentiation, genetic mutations, signaling, but also a balance between forces and mechanical constraints. Indeed, it has been shown that malignant cancer cells are softer than benign cells, a feature that may be important to understand metastasis. Cells can produce and sense forces. These mechanical signals are involved in many relevant cellular processes and functions like migration, division, differentiation, and immune response. Mechanical signals are generated by the cytoskeleton, a complex network of protein filaments, that can sustain tension if anchored to the substrate or to junctions with other cells, maintain cell rigidity, and thus form the structural scaffold of the cell. Cytoskeleton is in continuous transformation and its remodelling and structure influences cell deformability. Thus, the comprehension of cancer cell deformability and mechanics and the cytoskeleton dynamics is important to better understand the complex mechanisms of cancer. However, this interplay between cytoskeleton’s structure and mechanics is poorly understood, mainly due to the lack of available tools combining mechanics and structural molecular information. In this thesis we analyse the correlation among cell mechanics, cytoskeleton organization and malignancy, dividing the work in three parts: 1) In the first part we measure the mechanical properties of human melanoma cells with and without a specific integrin αvβ3, M21 and M21L respectively. αvβ3 is a protein involved in cell adhesion to the substrate, and the anchor for the cytoskeleton to the Extra-Cellular Matrix (ECM). Knowing from previous works that M21 cells are more aggressive and malignant than M21, we show that M21 cells are stiffer than M21L. 2) In the second part we develop an approach to correlate cell mechanics with cytoskeleton structure combining high resolution force mapping atomic force microscopy (AFM), traction force microscopy (TFM) and fluorescence microscopy, including polarization microscopy, and the micropatterning. 3) In the third part we use the developed approach to compare the mechanics and cytoskeleton structure of malignant and benign human breast cancer cells, HMLER and HMLE cell respectively. HMLER cells were obtained from HMLE cells activating the Ras pathway to induce the Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) and formation of metastasis in in vivo experiments. We show that HMLER are softer than HMLE, and this is the result of the distribution of stiffness in different cell areas. In addition, HMLER show lower cell volume, a different distribution of actin and express more intermediate filament vimentin than HMLE. We show also that traction forces are differently distributed in HMLE and HMLER as well as the actin molecular order and orientation. In conclusion, the developed approach allows correlating cell mechanics and cytoskeleton organization of micropatterned cells opening the door to other applications.