Cellules sous pression

Morgan Delarue, post-doctorant à UC Berkeley, a montré récemment que la pression développée par des cellules qui se divisent dans un espace confiné conduit à l’arrêt de la division cellulaire. Ses travaux pourraient ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de traitement des cancers.

Une tumeur, dans sa définition la plus simple, est un gonflement. Une des premières façons de soigner les tumeurs apparaît dès l’antiquité, lorsque les médecins essaient de comprimer ces excroissances tout simplement en appuyant dessus. Cette méthode de compression traverse les époques et est l’objet d’études approfondies en France et en Angleterre au début du XIXe siècle. Si certains médecins proposent des mécanismes ingénieux pour appliquer une pression uniforme sur la tumeur (comme des harnais qui compriment les grosseurs mammaires), le succès reste cependant très variable. Cette méthode, qui a suscité une polémique chez les médecins pendant de nombreux siècles, a piqué la curiosité des chercheurs. Une force de compression pourrait-elle vraiment inhiber la croissance des tumeurs, ou plus généralement affecter la prolifération des cellules dans les tissus biologiques ?

En effet, si on élargit le propos à toutes les populations cellulaires, il n’y a pas besoin d’appuyer sur des cellules pour qu’elles soient soumises à des forces de compression. Lors du développement, les tissus sont créés par la division des cellules. Une cellule donne deux cellules, qui chacune se divise à son tour en deux cellules etc. Or, notre corps et nos organes ayant un volume limité, les cellules se retrouvent rapidement en train de proliférer dans un espace confiné et sont soumises à des contraintes mécaniques inévitables. Les scientifiques cherchent donc à caractériser les forces qui s’exercent sur les populations de cellules et à savoir comment ces forces affectent le fonctionnement cellulaire. Autrement dit, qu’est-ce qu’il se passe quand on fait pousser des cellules dans un espace confiné ?

Morgan Delarue installant son montage expérimental.

Confiner partiellement les cellules in vitro

Cette question constitue le projet de recherche d’un jeune chercheur français, Morgan Delarue, actuellement en post-doctorat à l’université de Berkeley, en Californie. Pour répondre à cette problématique, le scientifique et son équipe d’accueil ont étudié la prolifération de cellules partiellement confinées. Pourquoi un confinement partiel ? Parce que les cellules qui se divisent dans des tissus ou dans des organismes comme le corps humain sont rarement soumises à un confinement total. Prenons l’exemple de la tumeur qui grossit dans un tissu. Les cellules qui prolifèrent activement vont pousser et déformer les tissus mous environnants. Dans le cas de tumeurs malignes, des cellules vont même être capables de quitter la tumeur et coloniser d’autres organes, créant ainsi des métastases. Dans ces deux cas, le confinement des cellules en prolifération est donc partiel.

Dans une étude récemment acceptée dans le journal Nature Physics, Morgan Delarue et ses collègues proposent une méthode expérimentale très innovante. L’équipe a choisi comme modèle cellulaire une levure, Saccharomyces cerevisiae, qui possède l’avantage de se diviser rapidement (sur 2-3 h). Une cellule de cette levure est positionnée dans une chambre de culture d’un tout petit volume (0,02 nanolitres, soit environ cent fois moins qu’un milliardième de litres), dans laquelle passe un milieu de culture. Dans le conduit de sortie de la chambre se trouve un obstacle, une sorte d’entonnoir qui gène la sortie des cellules et permet donc de confiner partiellement les cellules dans la chambre de culture (Figure 1). Après une vingtaine d’heures de prolifération, les levures se trouvent à l’étroit et exercent sur les parois de la chambre une pression croissante que les chercheurs peuvent mesurer. Ils déterminent ensuite les conséquences physiques (forces de compression) et biologiques (influence sur la prolifération) de ces contraintes mécaniques sur la population de levures

Figure 1 : Représentation de l’expérience.
Les levures prolifèrent dans une chambre de culture, reliée à un conduit comportant un obstacle, sorte d’entonnoir créant une situation de confinement partiel. Lorsque le nombre de levures devient important, les cellules appuient sur la paroi de la chambre, créant une pression qui est mesurée. Un réseau de forces hétérogène (représenté par les traits rouges d’épaisseur variable), déterminé grâce à la déformation des cellules, apparaît dans la chambre. Les cellules sortent de la chambre par paquets de deux ou trois, créant de petites avalanches, signe d’un écoulement dit de type granulaire. (Image: Edith Grosbellet)

Comme dans un métro parisien aux heures de pointe...

Grâce à ce dispositif expérimental, les chercheurs observent pour la première fois que lorsque les cellules prolifèrent et poussent sur les parois, il se crée un réseau de forces hétérogène dans la chambre de culture. Les cellules se déforment et s’organisent selon des lignes de forces (Figure 1). Certaines cellules sont alors soumises à des forces importantes tandis que d’autres restent plutôt à l’écart de ces forces.

Par ailleurs, les cellules qui sortent de la chambre dans le conduit de sortie ne sortent pas de façon continue et homogène. Morgan Delarue utilise l’analogie suivante pour décrire le phénomène : « Il se passe la même chose à cette échelle micrométrique que dans un métro parisien bondé aux heures de pointe. Au moment où les portes s’ouvrent, l’encombrement créé par la foule des usagers qui veulent sortir crée un bouchon. Les personnes au fond continuant à pousser, on imagine aisément une avalanche de gens qui tombe sur le quai. » De la même façon pour les levures de l’expérience, les cellules qui se divisent poussent les cellules les plus proches de la sortie. Une transition de blocage (terme physique pour désigner un bouchon) se crée et les cellules sortent brutalement par paquets de deux ou trois. En physique, cet écoulement est dit de type granulaire.

Quel impact sur les cellules et leur microenvironnement ?

Avec la surpopulation de cellules dans la chambre de culture, la pression augmente et les cellules sont soumises à des forces de compression non homogènes. En réponse à ces contraintes mécaniques de plus en plus importantes, les cellules arrêtent de proliférer. Ainsi, plus la pression exercée sur des cellules est importante, et moins elles se divisent. En d’autres termes, les cellules « comprennent » qu’il n’y a pas de place pour tout le monde et stoppent leurs divisions. A l’échelle moléculaire, Morgan Delarue a montré que cet arrêt de la division cellulaire est corrélé à l’accumulation d’une protéine (appelée Whi5) dans le noyau des cellules. Cette protéine étant impliquée dans la répression du cycle cellulaire, elle semble être un acteur moléculaire clé pour arrêter la prolifération lorsque les contraintes mécaniques deviennent trop importantes. A chaque sortie de cellules (chaque petite avalanche), la pression dans la chambre diminue et les divisions cellulaires reprennent.

Figure 2 : Schéma des résultats.

Les levures prolifèrent en se divisant. Lorsque la population de cellules devient trop importante, la pression dans la chambre de culture augmente, créant des forces mécaniques sur les cellules. Il en résulte un arrêt de la division cellulaire, permettant de stabiliser la pression et d’homogénéiser le réseau de forces. (Image: Edith Grosbellet)

Applications pour le cancer

Pour poursuivre l’étude, Morgan Delarue souhaite adapter sa méthode expérimentale à des cellules de mammifère et particulièrement à des cellules cancéreuses. Pendant sa thèse réalisée à l’Institut Curie à Paris, le chercheur a en effet étudié l’effet de l’application d’une pression externe sur des tumeurs in vitro. Il avait ainsi montré que comprimer des tumeurs permettait de réduire leur volume, de réduire la taille des cellules de façon hétérogène (les cellules du centre étant plus réduites qu’au bord) et d’inhiber la prolifération cellulaire. Cependant, l’impact d’une compression sur la prolifération de la tumeur pourrait être dépendant du stade et de la taille des tumeurs ainsi que de leur nature (maligne ou bénigne, c'est-à-dire respectivement capable ou non de coloniser d’autres tissus et de donner naissance à des métastases). Ainsi, le scientifique souhaite vérifier l’hypothèse selon laquelle une compression pourrait être bénéfique pour réduire la taille d’une tumeur bénigne, mais pourrait au contraire favoriser la migration des cellules cancéreuses (et donc l’apparition de métastases) dans le cas des tumeurs malignes.

En adaptant le procédé expérimental développé dans le laboratoire de Berkeley, le chercheur disposera d’un outil puissant et dynamique pour étudier les effets de la pression exercée par la division cellulaire à l’intérieur de la tumeur. Cette méthode lui permettra aussi de contrôler, en plus de la pression, l’environnement chimique des cellules. Il pourra ainsi étudier les effets de différentes drogues anticancéreuses sur la prolifération des cellules lorsqu’elles sont partiellement confinées, c'est-à-dire dans un environnement mécanique proche de celui d’une tumeur qui grossit in vivo.

Arrivé à la fin de son premier post-doc, Morgan Delarue continuera son projet dans quelques mois au NYU (Université de New York). Il espère par la suite pouvoir intégrer le CNRS en France.


Références bibliographiques

M Delarue, J Hartung, C Schreck, P Gniewek, L Hu, S Herminghaus and O Hallatschek. Self-driven jamming in growing microbial populations. Nature Physics, in press.

M Delarue. Influence de contrainte mécaniques sur le développement du cancer. Biophysique. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2013. 


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