Caractérisation des propriétés mécaniques de cellules adhérentes: Interprétation des mesures issues de la technique des pinces optiques

La caractérisation précise des propriétés mécaniques de cellules animales est cruciale pour comprendre et analyser comment celles-ci répondent à des stimuli mécaniques (mécanotransduction) in vivo. Parmi les différentes techniques expérimentales mises en oeuvre, la micromanipulation de microbilles par pinces optiques, déjà utilisée avec succès pour quantifier l'élasticité des globules rouges, a été appliquée aux mesures de rigidité de cellules adhérentes. Cependant, les rapports force externe imposée/translation de la bille issus des mesures expérimentales dépendent fortement des caractéristiques géométriques de l'interface bille-cellule et notamment de l'angle d'imprégnation de la microbille, de son rayon R et de l'épaisseur h de la cellule. En simulant par éléments finis la déformation d'une cellule adhérente par pinces optiques, nous avons pu établir des fonctions de correction qui permettent de remonter au module de Young intrinsèque du milieu cellulaire à partir du module d'élasticité apparent déterminé expérimentalement

Problèmes inverses en biomécanique : <br />De la caractérisation des propriétés élastiques de cellules adhérentes à la quantification des déformations locales de cellules contractiles et de tissus.

The research in cell biology have been heavily marked during the last two decades by taking greater account of the mechanical properties of living cells. The remarkable development of a new discipline, the Mechanobiology, and the study of signaling pathways involved, or mechano-transduction, are tangible signs. In this context, this thesis is a contribution to the characterization of active and passive mechanical properties of adherent cells from their response to stress imposed. This approach, which is defined as a formal resolution of an inverse problem was developed in the first part of our work to identify the intrinsic modulus of adherent cells probed mechanically by optical tweezers or magnetic tweezers. These micromanipulation techniques allow in fact to distort the cytoskeleton of the cell through functionalized beads hanging from the transmembrane receptor in the cell. However, direct analysis of the solicitation/answer couple allows us to infer only the apparent modulus of the cell. The originality of our work is to offer a significant improvement of the cell Young modulus estimation through the consideration of several factors that are geometric: (i) embedding angle of the bead in cell, (ii) the height of the cell under the bead (iii) the curvature of the interface bead/cell. We propose including explicit functions of these parameters to correct the error of cell rigidity when this rigidity is estimated under the assumption of an infinite or semi-infinite medium. The second part of our work, concerns characterization, more complex, of contractile cells active mechanical properties observed by video-microscopy. In this case, the illumination of the cell is the input function, while the scope of movement observed over time is the cellular response. The inverse problem here is to infer the field of intracellular constraints at the origin of displacement observed. To better understand the dynamics of spontaneous contractile isolated cardiomyocytes, we first developed an optical flow algorithm performance based on the correlation of images, which allowed us to quantify accurately the evolution of intracellular deformation at the sarcomere level. From this spatial-temporal strain field, we were able to reconstruct originally intracellular constraints calcium-dependent governing the frequency and magnitude of the contraction of cardiomyocytes. We finally show interest in the prospect of this approach in the tissue with different results of coronary arteries elastography.Les recherches en biologie cellulaire ont été fortement marquées au cours des deux dernières décennies par la prise en compte accrue des propriétés mécaniques des cellules vivantes. Le développement remarquable d'un nouveau champ disciplinaire, la mécanobiologie, et l'étude des voies de signalisation associées, ou mécano-transduction, en sont des signes tangibles. Dans ce contexte, cette thèse est une contribution à la caractérisation des propriétés mécaniques actives et passives de cellules adhérentes à partir de leur réponse à des sollicitations imposées. Cette approche, qui se définit formellement comme la résolution d'un problème inverse, a été développée dans une première partie de notre travail pour identifier le module d'élasticité intrinsèque de cellules adhérentes sollicités mécaniquement par pinces optiques ou pinces magnétiques. Ces techniques de micromanipulations permettent en effet de déformer le cytosquelette de la cellule par l'intermédiaire de billes fonctionnalisées accrochées aux récepteurs transmembranaires de la cellule. Cependant, l'analyse directe du couple sollicitation/réponse ne permet d'accéder qu'au module d'élasticité apparent de la cellule. L'originalité de notre travail est de proposer une amélioration significative de l'estimation du module d'Young de la cellule grâce à la prise en considération de plusieurs facteurs géométriques qui sont : (i) l'angle d'imprégnation de la bille dans la cellule, (ii) la hauteur sous bille de la cellule et (iii) la courbure de l'interface bille/cellule. Nous proposons notamment des fonctions explicites de ces paramètres permettant de corriger l'erreur commise lorsque la rigidité cellulaire est estimée sous l'hypothèse d'un milieu infini ou semi-infini. La seconde partie de notre travail concerne la caractérisation, plus complexe, des propriétés mécaniques actives de cellules contractiles observées par vidéo-microscopie. Dans ce cas, l'illumination de la cellule est la fonction d'entrée, tandis que le champ de déplacement observé au cours du temps constitue la réponse cellulaire. Le problème inverse consiste ici à remonter au champ de contraintes intracellulaires à l'origine du champ de déplacement observé. Afin de mieux comprendre la dynamique contractile spontanée de cardiomyocytes isolés, nous avons dans un premier temps développé un algorithme de flot optique performant, basé sur la corrélation d'images, qui nous a permis de quantifier précisément l'évolution des déformations intracellulaires à l'échelle des sarcomères. A partir de ce champ de déformation spatio-temporel, nous avons pu reconstruire de façon originale la propagation des contraintes intracellulaires calcium-dépendantes qui gouvernent la périodicité et l'amplitude de la contraction du cardiomyocyte. Nous montrons enfin en perspective l'intérêt de cette approche au niveau du tissulaire en présentant différents résultats obtenus en élastographie des artères coronariennes

Estimation of Young's modulus of adherent cells probed by optical and magnetic tweezers: influence of cell thickness and bead immersion

International audienceA precise characterization of cell elastic properties is crucial for understanding the mechanisms by which cells sense mechanical stimuli and how these factors alter cellular functions. Optical and magnetic tweezers are micromanipulation techniques which are widely used for quantifying the stiffness of adherent cells from their response to an external force applied on a bead partially embedded within the cell cortex. However, the relationships between imposed external force and resulting bead translation or rotation obtained from these experimental techniques only characterize the apparent cell stiffness. Indeed, the value of the estimated apparent cell stiffness integrates the effect of different geometrical parameters, the most important being the bead embedding angle 2 , bead radius R, and cell height h. In this paper, a three-dimensional finite element analysis was used to compute the cell mechanical response to applied force in tweezer experiments and to explicit the correcting functions which have to be used in order to infer the intrinsic cell Young's modulus from the apparent elasticity modulus. Our analysis, performed for an extensive set of values of , h, and R, shows that the most relevant parameters for computing the correcting functions are the embedding half angle and the ratio hu/2R, where hu is the under bead cell thickness. This paper provides original analytical expressions of these correcting functions as well as the critical values of the cell thickness below which corrections of the apparent modulus are necessary to get an accurate value of cell Young's modulus. Moreover, considering these results and taking benefit of previous results obtained on the estimation of cell Young's modulus of adherent cells probed by magnetic twisting cytometry (MTC) (Ohayon, J., and Tracqui, P., 2005, Ann. Biomed. Eng., 33, pp. 131-141), we were able to clarify and to solve the still unexplained discrepancies reported between estimations of elasticity modulus performed on the same cell type and probed with MTC and optical tweezers (OT). More generally, this study may strengthen the applicability of optical and magnetic tweezers techniques by insuring a more precise estimation of the intrinsic cell Young's modulus (CYM)

Problèmes inverses en biomécanique (de la caractérisation des propriétés élastiques de cellules adhérentes à l'élaboration d'un outil de mesure des déformations locales au sein des cellules contractiles et de tissus)

Les recherches en biologie cellulaire ont été fortement marquées au cours des deux dernières décennies par la prise en compte accrue des propriétés mécaniques des cellules vivantes. Le développement remarquable d'un nouveau champ disciplinaire, la mécanobiologie, et l'étude des voies de signalisation associées, ou mécano-transduction, en sont des signes tangibles. Dans ce contexte, cette thèse est une contribution à la caractérisation des propriétés mécaniques actives et passives de cellules adhérentes à partir de leur réponse à des sollicitations imposées. Cette approche, qui se définit formellement comme la résolution d'un problème inverse, a été développée dans une première partie de notre travail pour identifier le module d'élasticité intrinsèque de cellules adhérentes sollicités mécaniquement par pinces optiques ou pinces magnétiques. Ces techniques de micromanipulations permettent en effet de déformer le cytosquelette de la cellule par l'intermédiaire de billes fonctionnalisées accrochées aux récepteurs transmembranaires de la cellule. Cependant, l'analyse directe du couple sollicitation/réponse ne permet d'accéder qu'au module d'élasticité apparent de la cellule. L'originalité de notre travail est de proposer une amélioration significative de l'estimation du module d'Young de la cellule grâce à la prise en considération de plusieurs facteurs géométriques qui sont : (i) l'angle d'imprégnation de la bille dans la cellule, (ii) la hauteur sous bille de la cellule et (iii) la courbure de l'interface bille/cellule. Nous proposons notamment des fonctions explicites de ces paramètres permettant de corriger l'erreur commise lorsque la rigidité cellulaire est estimée sous l'hypothèse d'un milieu infini ou semi-infini. La seconde partie de notre travail concerne la caractérisation, plus complexe, des propriétés mécaniques actives de cellules contractiles observées par vidéo-microscopie. Dans ce cas, l'illumination de la cellule est la fonction d'entrée, tandis que le champ de déplacement observé au cours du temps constitue la réponse cellulaire. Le problème inverse consiste ici à remonter au champ de contraintes intracellulaires à l'origine du champ de déplacement observé. Afin de mieux comprendre la dynamique contractile spontanée de cardiomyocytes isolés, nous avons dans un premier temps développé un algorithme de flot optique performant, basé sur la corrélation d'images, qui nous a permis de quantifier précisément l'évolution des déformations intracellulaires à l'échelle des sarcomères. A partir de ce champ de déformation spatio-temporel, nous avons pu reconstruire de façon originale la propagation des contraintes intracellulaires calcium-dépendantes qui gouvernent la périodicité et l'amplitude de la contraction du cardiomyocyte. Nous montrons enfin en perspective l'intérêt de cette approche au niveau du tissulaire en présentant différents résultats obtenus en élastographie des artères coronariennes.The research in cell biology have been heavily marked during the last two decades by taking greater account of the mechanical properties of living cells. The remarkable development of a new discipline, the Mechanobiology, and the study of signaling pathways involved, or mechano-transduction, are tangible signs. In this context, this thesis is a contribution to the characterization of active and passive mechanical properties of adherent cells from their response to stress imposed. This approach, which is defined as a formal resolution of an inverse problem was developed in the first part of our work to identify the intrinsic modulus of adherent cells probed mechanically by optical tweezers or magnetic tweezers. These micromanipulation techniques allow in fact to distort the cytoskeleton of the cell through functionalized beads hanging from the transmembrane receptor in the cell. However, direct analysis of the solicitation/answer couple allows us to infer only the apparent modulus of the cell. The originality of our work is to offer a significant improvement of the cell Young modulus estimation through the consideration of several factors that are geometric: (i) embedding angle of the bead in cell, (ii) the height of the cell under the bead (iii) the curvature of the interface bead/cell. We propose including explicit functions of these parameters to correct the error of cell rigidity when this rigidity is estimated under the assumption of an infinite or semi-infinite medium. The second part of our work, concerns characterization, more complex, of contractile cells active mechanical properties observed by video-microscopy. In this case, the illumination of the cell is the input function, while the scope of movement observed over time is the cellular response. The inverse problem here is to infer the field of intracellular constraints at the origin of displacement observed. To better understand the dynamics of spontaneous contractile isolated cardiomyocytes, we first developed an optical flow algorithm performance based on the correlation of images, which allowed us to quantify accurately the evolution of intracellular deformation at the sarcomere level. From this spatial-temporal strain field, we were able to reconstruct originally intracellular constraints calcium-dependent governing the frequency and magnitude of the contraction of cardiomyocytes. We finally show interest in the prospect of this approach in the tissue with different results of coronary arteries elastography.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

matlab to compare two strains

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deletion of RE in YIL31

HML MAT and HMR position

plotboxplot

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