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Theses

Dispositifs fluidiques 3D pour l'étude de la migration cellulaire des macrophages

Emma Desvignes 1
1 LAAS-ELIA - Équipe Ingénierie pour les sciences du vivant
LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes
Abstract : Over the past two decades, studies have been conducted to measure the mechanical forces exerted by living cells on their environment. This has led to the development of a variety of ingenious techniques that have been primarily developed to understand how cells exert forces during their migration on 2D substrates. However, in vivo, cells migrate through three-dimensional (3D) environments and the mechanisms used to migrate in 3D differ significantly from those of 2D migration. For example, confined cells in 3D encountering constrictions need to deform their nucleus, their largest and most rigid organelle. In 2D, kernels are not limiting factors for migration. It is therefore necessary to develop tools to understand how cells migrate in 3D. In particular, studies need to be conducted to determine how cells apply forces based on the level of containment they encounter. To answer this difficult question, we have developed two types of micro-devices. First, we designed and manufactured a microfluidic device to study the forces generated by cells during a confined migration. This device consists of microchannels of controlled dimensions equipped with micropiliers, serving as force sensors. These force sensors have a sensitivity of the order of 70 pN. We then introduced into the device human macrophages, cells of the immune system, inside the device and evaluated the bending of micropiliers generated by the cellular forces applied during their migration. Through the development of an algorithm for image analysis, we have been able to evaluate the forces generated in different cell areas and reveal that cells are redirecting pressure forces from the inside to the outside as the degree of containment increases. This observation suggests a very specific mode of migration related to spatial confinement that is based on the support without adhesion on the obstacles of the environment. In a second time we made three-dimensional networks obtained by a 3D bi-photonic lithography method. Les motifs de ces réseaux possèdent des dimensions caractéristiques de l'échelle cellulaire (1-10 μm) et sont composés de poutres suspendues qui peuvent être courbés par les cellules vivantes qui migrent au sein du treillis tri-dimensionnel. En enregistrant une séquence vidéo des déformations de l'échafaudage, nous pouvons étudier l'activité mécanique de la cellule dans l'espace et le temps pendant sa migration 3D. Nos résultats montrent que les macrophages sont capables de pénétrer dans des réseaux de géométrie cubique lorsque la période du réseau est supérieure à 5 μm et que le support de migration lui-même peut être utilisé comme capteur pour mesurer les forces exercées par les cellules. Grâce à la mesure de la rigidité du matériau constituant le treillis 3D et des modélisations de la déformation élastique de la structure 3D, nous avons pu évaluer que la contrainte mécanique globale qu’exerce un macrophage sur son microenvironnement est de l’ordre de 500 kPa. Grâce à la combinaison de la microfabrication, l'imagerie cellulaire et l'analyse automatisée des images, nous sommes parvenus à quantifier les efforts mécaniques cellulaires mis en jeu lors de la migration de macrophages humains au sein d’environnements confinés et nous mettons ainsi en lumière la mécanique spécifique des cellules migrant en 3D.
Document type :
Theses
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https://hal.laas.fr/tel-02024341
Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Wednesday, June 24, 2020 - 2:34:31 PM
Last modification on : Thursday, June 10, 2021 - 3:03:45 AM

File

2018EmmaDESVIGNES.pdf
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Identifiers

  • HAL Id : tel-02024341, version 2

Citation

Emma Desvignes. Dispositifs fluidiques 3D pour l'étude de la migration cellulaire des macrophages. Physique [physics]. INSA de Toulouse, 2018. Français. ⟨NNT : 2018ISAT0046⟩. ⟨tel-02024341v2⟩

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