Biomécanique discrète

Les forces mécaniques participent activement à la formation des tissus vivants. Avec Robert Peyroux, qui a porté ce sujet au laboratoire 3SR, nous appliquons la méthode des éléments discrets aux cellules biologiques. L’entité de base est la cellule elle-même : son contenu (cytosquelette, noyau, membrane…) n’est pas décrit, pour se concentrer sur les forces qu’elle échange avec ses voisines et avec le substrat, et sur le comportement collectif qui en résulte. Ce travail a débuté avec la thèse de Sylvie Jauvert.

Un modèle de cellule « vivante » : le DLEM

Le Discrete Life-Element Model (DLEM) intègre dans un code DEM les principes de base de la vie cellulaire, chacun traité comme un processus piloté par des forces :

• adhésion entre cellules et avec le substrat, par une version simplifiée de la théorie du contact adhésif (JKR) ;
• motilité : la cellule tire sur des points d’accroche du substrat, plus fort vers l’avant que vers l’arrière, comme le font ses lamellipodes ;
• croissance et division, dont la durée et la direction peuvent dépendre de l’état mécanique du voisinage.

Une cellule tire sur des points d'accroche du substrat (gauche) ; la densité de traction est plus forte vers l'avant, ce qui la propulse (droite).

Ce que le modèle fait émerger

• Une marche aléatoire sans hasard imposé. Sur un substrat désordonné, la trajectoire d’une cellule devient diffusive du seul fait de la répartition irrégulière des points d’adhésion, sans qu’aucune force aléatoire ne soit appliquée.
• Une cellule peut se bloquer. Avec des adhésions permanentes, elle finit piégée dans les points d’accroche qu’elle a saisis. Deux mécanismes la libèrent : le renouvellement des adhésions, et la division cellulaire elle-même.
• La cohésion d’un amas dépend de la traction, pas seulement de l’adhésion. À adhésion égale, des cellules qui tirent faiblement restent groupées ; des cellules plus motiles se dispersent.
• Un tissu qui avance. Une monocouche de cellules en migration reproduit la signature qualitative des mesures expérimentales (efforts répartis loin derrière le front), avec des intensités encore trop faibles : un écart riche d’enseignements sur ce qui manque au modèle.

Amas de 258 cellules obtenus par croissance et division, pour une force de traction croissante à adhésion fixée (de gauche à droite) : l'amas compact se disperse. Les segments représentent les contacts entre cellules, d'épaisseur proportionnelle à la force transmise.

Ces travaux font l’objet d’un article en préparation.

Publication

• S. Jauvert, R. Peyroux, V. Richefeu (2013). A mechanical model for cell motility and tissue morphogenesis, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 16(1), pp. 13-14. PDF