Modèle de tenségrité viscoélastique pour l'étude de la réponse dynamique des cellules adhérentes

Jury composé de : Bellet Didier Professeur de l'INP à Toulouse (Président), Ohayon Jacques Professeur de l'Université de Savoie à Chambéry (Rapporteur), Stoltz Jean-Francois Professeur de l'Université Henry Poincarré à Nancy (Rapporteur), Navajas Daniel Professeur à l'Universitat de Barcelona (Espagne), Wendling-Mansuy Sylvie Maitre de Conférence de l'Université Paris12 (co-directeur) et Isabey Daniel Directeur de recherche CNRS à l'INSERM U492.Mention : Très honnorable avec félicitations du jury à l'unanimité.A viscoelastic tensegrity model (VTM) composed of 6 quasi-rigid bars and 24 viscoelastic cables is developed and its mechanical response is studied in both time and frequency domains in order to understand the role of the cytoskeleton structure in the cellular response during small and large deformations. Numerical simulations of both creep tests and forced oscillations are performed to determine the governing laws relating the global normalised viscoelastic properties (elasticity modulus E*, viscosity modulus 'eta'* and time constant 'tau'*) of the VTM to (i) the level of global deformation ('epsilon'), (ii) the local parameters defined at the reference state (normalised length L* and internal tension T*) and (iii) the imposed oscillatory frequency (f). When T* increases, the elasticity modulus (E*) increases while the time constant (tau*) decreases, the VTM behaviour being characterized by stiffening (E* proportional to T*0,5 ) and solidifying (tau* proportional to T*-0,4 ) processes, whereas the normalised viscosity modulus appears not significantly dependent on T* (eta* proportional to T*0,1 ). Moreover, increasing forced frequency results in stiffening (E* proportional to f*0,2 ), watering (eta* proportional to f*-0,2 ) and solidifying (tau* proportional to f*-0.4 ) processes. These numerical results are in satisfactorily agreement with the experimental results reported in living cells; in particular, the non significant role of the internal tension on the cellular viscosity could be related to eta* proportional to T*0,1 while the scale effect (probe size) appears in agreement with both softening and watering processes (E* proportional to L*-2 and eta* proportional to L*-2). When applied at the microcellular level by including the properties of the cytoskeletal biopolymers, the present viscoelastic tensegrity model seems to provide a consistent predictive evaluation of the contribution of the spatial reorganisation of CSK elements to the mechanical properties of the cellular architectureUn modèle de tenségrité viscoélastique (MTV) composé de 6 barres quasi-rigides et de 24 câbles viscoélastiques est développé et son comportement mécanique est étudié dans les domaines temporel et fréquentiel pour comprendre le rôle joué par la déformation structurale du cytosquelette dans la réponse cellulaire en petites et grandes déformations. Des simulations numériques de tests de fluage ainsi que d'oscillations imposées sont effectuées, permettant d'établir des lois de dépendance entre d'une part les propriétés viscoélastiques normalisées globales (modules d'élasticité E*, de viscosité 'eta'* et constante de temps 'tau'*) du MTV et, d'autre part, le niveau de déformation globale ('epsilon'), des paramètres locaux définis à l'état de référence (longueur L* et tension interne T* normalisées) et la fréquence imposée d'oscillations (f). L'augmentation de T* induit une augmentation du module d'élasticité (E*) et une diminution de la constante de temps normalisée (tau*), le MTV étant l'objet de processus de rigidification (E* 'proportionnel à' T*0,5 ) et de solidification (tau* proportionnel à T*-0,4 ) tandis que le module de viscosité normalisé apparaît peu dépendant de T* (eta* proportionnel à T*0,1 ). De plus, l'augmentation de la fréquence imposée entraîne des processus de rigidification (E* proportionnel à f*0,2 ), de dilution (eta* proportionnel à f*-0,2 ) et de solidification (tau* proportionnel à f*-0.4 ). Ces résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux obtenus sur cellules vivantes notamment le faible rôle du tonus cellulaire sur la viscosité cellulaire est à rapprocher de eta* proportionnel à T*0,1 alors que l'effet d'échelle (taille de sonde) est en accord avec les processus d'assouplissement et de dilution (E* proportionnel à L*-2 et tau* proportionnel à L*-2). Appliqué à l'échelle microcellulaire en utilisant les propriétés des biopolymères qui composent le cytosquelette, le présent modèle de tenségrité viscoélastique apporte une évaluation prédictive du rôle de la redistribution spatiale des éléments sur les propriétés mécaniques de l'architecture cellulaire

Cellules souches et pellets de cartilage

National audienceLes cartilages articulaires sont des tissus conjonctifs constitués essentiellement d’eau, de fibres de collagènes et de protéoglycanes. Ces organes permettent des mouvements sans frottement entre les os tout en transmettant et amortissant les efforts mécaniques associés. Toutefois, la faible fraction volumétrique (2%) qu’occupent les cellules (i.e., les chondrocytes) couplée à l’absence de vascularisation entraîne une certaine lenteur dans les processus de croissance et de réparation des cartilages qui se trouvent ainsi limités. Nos travaux se sont concentrés sur le modèle in vitro de "pellet" de cartilage articulaire. Ils mêlent expérimentations, modélisations mécanique et numérique, et sont menés en croisant des compétences en mécanique et en biologie cellulaire et tissulaire. Ces travaux visent notamment la compréhension des paramètres fondamentaux responsables de la genèse et la croissance des cartilages (flux de nutriments, facteurs de croissance, chargements mécaniques…

Mechanical and numerical models of the prestressed cytoskeleton structure ; mechanical behavior and structuration

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Frequency response of a viscoelastic tensgrity structure

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Cellules souches et pellets de cartilage

National audienceLes cartilages articulaires sont des tissus conjonctifs constitués essentiellement d’eau, de fibres de collagènes et de protéoglycanes. Ces organes permettent des mouvements sans frottement entre les os tout en transmettant et amortissant les efforts mécaniques associés. Toutefois, la faible fraction volumétrique (2%) qu’occupent les cellules (i.e., les chondrocytes) couplée à l’absence de vascularisation entraîne une certaine lenteur dans les processus de croissance et de réparation des cartilages qui se trouvent ainsi limités. Nos travaux se sont concentrés sur le modèle in vitro de "pellet" de cartilage articulaire. Ils mêlent expérimentations, modélisations mécanique et numérique, et sont menés en croisant des compétences en mécanique et en biologie cellulaire et tissulaire. Ces travaux visent notamment la compréhension des paramètres fondamentaux responsables de la genèse et la croissance des cartilages (flux de nutriments, facteurs de croissance, chargements mécaniques…