Comment les cellules sculptent leur environnement : des fibres déformables pour quantifier les forces en 3D

Les cellules évoluent dans des micro-environnements complexes et riches en fibres, qu’elles modifient continuellement par les forces mécaniques qu’elles exercent. Ces forces jouent un rôle central dans les mécanismes de migration cellulaire, notamment associés à la progression tumorale et à l’immunité. Cependant, les mesurer dans des environnements tridimensionnels réalistes et contrôlés reste un défi majeur. 

Dans cette étude publiée dans la revue PNAS, des physiciens, chimistes et biologistes se sont associés pour développer une plateforme permettant la génération de micro-environnements fibrillaires déformables, avec un contrôle fin des propriétés locales et une mesure intégrée des forces en trois dimensions à l’échelle des fibres individuelles. Ce système, développé par Pierre Ucla pendant son doctorat, en collaboration avec des spécialistes de chaque domaine, permet de comprendre comment la densité, la rigidité et l’orientation des fibres influencent la mécanique cellulaire. 

Des réseaux fibrillaires déformables fabriqués par polymérisation à deux photons

La technologie de polymérisation à deux photons a été exploitée pour réaliser à volonté des architectures 3D avec une résolution sub-micronique. Cette approche a été étendue à la génération de réseaux de longues fibres suspendues et déformables, réalisées dans un hydrogel synthétique (PEGDA, diacrylate de polyéthylène glycol), et recouvertes d’une protéine de la matrice extracellulaire, la fibronectine. 

Dans des réseaux de fibres parallèles à plusieurs étages, les cellules se montrent capables de déformer fortement les fibres, de façon modulable en fonction de la rigidité des fibres (contrôlée par les paramètres de fabrication), et en naviguant entre les différents étages de fibres. 

Relier déformation des fibres et forces cellulaires

Pour remonter de ces déflexions observées aux forces réellement exercées, une caractérisation détaillée des propriétés mécaniques a d’abord été réalisée par microscopie à force atomique, incluant leur morphologie, leur module de Young (module d’élasticité) et leur rigidité apparente. Ces données ont permis de développer une chaîne d’analyse automatisée combinant segmentation 3D des fibres et modélisation par éléments finis, afin de calculer les forces cellulaires en trois dimensions.

La plateforme a été validée sur un large éventail de modèles cellulaires : cellules du tissu conjonctif, cellules endothéliales, cellules immunitaires telles que les macrophages et les cellules dendritiques.  Elle permet ainsi d’étudier aussi bien des cellules fortement contractiles que des cellules générant des forces plus faibles, typiques du système immunitaire. Les résultats montrent notamment une augmentation des forces exercées lorsque la densité des fibres et leur rigidité augmentent. Enfin, la méthode a été étendue à des réseaux 3D de fibres plus complexes, basés sur des gradients de densité de fibres. Cela ouvre des perspectives à l’utilisation de la technologie pour l’étude des forces associées à des migrations vers des environnements rigides ou denses en fibres (phénomènes de durotaxie ou de topotaxie), ainsi qu’à des études biomimétiques visant à modéliser le comportement cellulaire lors de réorganisations locales de la matrice extracellulaire, comme celles survenant dans des contextes pathologiques en bordure des tumeurs.

La technologie développée répond à un fort besoin des communautés de mécanobiologie, biologie cellulaire et modélisation. Elle ouvre la voie à des avancées majeures en cancérologie et immunologie, par exemple en permettant de déchiffrer la mécanique cellulaire aux interfaces de réorganisation de fibres caractéristiques des tumeurs.

Figure : A. Schéma de principe de la fabrication des grilles 3D de fibres par polymérisation à deux photons. B. Migration d’une cellule immunitaire (cellule dendritique) dans une grille de fibres à deux étages, espacement entre fibres : 10 µm. C. Migration de fibroblastes dans une grille à quatre étages de fibres espacées graduellement, et cartographie des forces 3D établie d’après la déflexion des fibres. Barre d’échelle : 20 µm.

En savoir plus : P. Ucla, J. Lê-Chesnais, H. Ver Hulst, X. Ju, I. Calvente, E. Nematollahi, L. Leconte, J. Salamero, I. Bonnet, C. Monnot, H.D. Moreau, J. Landoulsi, V. Semetey, & S. Coscoy. Quantifying cell traction forces at the single-fiber scale in 3D: An approach based on deformable photopolymerized fiber arrays, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (42) e2507677122, https://doi.org/10.1073/pnas.2507677122 (2025).