La capacité des cellules à s'adapter au stress mécanique est essentielle. Cependant, peu est connu sur les forces relatives qui s'exercent de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ce projet a pour but de montrer que ces forces peuvent être mesurées avec l'aide de la microscopie de force photonique (MFP). Une contrainte mécanique est appliquée par une trappe optique via une bille de polystyrène. Cette bille est attachée à la cellule grâce aux points d'adhésion focaux. La mesure de la force est effectuée quand la bille est en position d'équilibre entre la force photonique et la tension cellulaire. La réponse du système a été comparée à une simulation numérique. Nous avons observé une augmentation de la déformation des cellules H4 suite à un traitement à la cytochalasineD. Cette observation corrèle avec une diminution de la force observée en MFP. Dans l'ensemble, nos résultats montrent qu'il est possible d'évaluer quantitativement la tension intracellulaire par MFP. / The ability of cells to sustain mechanical stress is essential. It is however not very well understood how tension is expressed from the inside of the cell to the exterior. Here we show that these forces can be measured by photonic force microscopy (PFM). Forces are applied to the cell by an optical trap through a polystyrene bead attached to the cell. The reaction of the cell is monitored when the bead is in an equilibrium state between the photonics forces and the membrane elasticity and cell stiffness. The calibration of the system was compared with numerical simulation. We observed increased deformation of H4 cells treated with cytocholasin D. This observation is correlated to an overall decrease in the force by the photonic force microscope. Our results suggest that cell stiffness can be assessed by the PFM, which allows quantification of a tension within cells with sufficient precision.

La réponse mécanique d'une cellule à une force externe permet d'inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s'avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule. / The mechanical response of a cell to external forces carries information about its structure and function. Because cell manipulation should ideally be non-invasive while performing sophisticated biophysical characterization, the radiation force of optical tweezers has become highly attractive. In this thesis, we explore three types of recently-developed optical tweezers: 1) static, 2) time-sharing and 3) oscillating. Using a full three-dimensional finite element method (3DFEM), modeling of each of these regimes allows us to fit experiments and access the cell mechanical properties. Combining optical trapping with cell mechanics requires interdisciplinary efforts. A survey of the various experimental approaches for optical trapping and measurements on isolated cells is presented. We then lay the theoretical background linking the interaction of optical fields to the cell’s mechanical response. We are the first to implement a 3DFEM calculation including light scattering and the radiation stress distribution to predict the deformation of a biconcave cell –emulating a red blood cell– in static dual-trap optical tweezers. At equilibrium, the final deformation is given by the separation distance of the two trapping beams, revealing how the cell can be elongated or shrunk. Time-sharing optical tweezers realize multiple traps to manipulate objects ranging from macromolecules to biological cells. Our quantitative analysis shows how, although jumping, the local stress and strain is omnipresent in the cell. The viscoelastic object deformation and internal energy dissipation are analyzed. Another cell shape, a cubic rod, is also studied, elucidating novel symmetrical properties of the mechanical response. Finally, the analysis of the time-dependent deformation –creep testing– of a cell in static and time-sharing optical tweezers, shows that deformation of the object depends altogether on the object’s viscoelasticity, significantly on its 3D shape and the mechanical loading. However, dynamic testing with oscillating optical tweezers surprisingly shows a phase shift between the loading stress (external force) and strain (deformation) independent on the 3D cell shape. This is a novel avenue giving access to the cell’s viscoelasticity dynamic complex modulus directly in the time-domain.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L'activité mécanique des cellules générée par l'interaction entre la matrice extracellulaire (MEC) et le cytosquelette d'actine est essentielle pour la régulation de l'adhésion, de l'étalement et de la migration des cellules lors du développement normal ou tumoral. La stimulation mécanique des cellules découle majoritairement des forces externes appliquées par la MEC ou bien des forces internes générées par la contraction de l'actomyosine. Ces stimuli mécaniques convergent aux intégrines situées aux points focaux d'adhérence (FA) reliant la MEC à l'actine fibrillaire. La formation des FA requiert des molécules adaptatrices pour l'actine, telle que la vinculine, ainsi que des molécules de signalisation, comme la FAK (« focal adhesion kinase ») ou les PKC (« protein kinase C »). Les filaments intermédiaires (FI) de kératines 8/18 (K8/K18) sont exprimés dans l'ensemble de l'épithélium simple, mais constituent les seuls FI présents dans les hépatocytes et les hépatomes. Bien que plusieurs évidences suggèrent une participation des FI K8/K18 dans la régulation de l'activité mécanique des cellules, le mécanisme exact demeure énigmatique. Les travaux présentés dans cette thèse examinent les mécanismes impliqués dans la modulation de l'activité mécanique des cellules par les FI K8/K18. Par une approche s'appuyant sur l'utilisation d'une pince optique et de substrats de rigidité variable, les résultats montrent que les FI K8/K18 contribuent à la rigidité cellulaire et aux mécanismes mécanosenseurs, en raison d'une modulation de la signalisation RhoA-ROCK responsable de la dynamique de l'actine fibrillaire, plutôt que de leurs propriétés viscoélastiques. Par ailleurs, la PKCô est identifiée comme un médiateur de la modulation de l'étalement et de la migration associée aux FI K8/K18 chez les hépatomes, via une boucle de rétroaction positive affectant la FAK et l'intégrine aux FA. En fait, ces éléments corrèlent avec l'assemblage d'un complexe formé de RACK1 « Receptor of Activated C Kinase 1», pi-intégrine, plectine, PKC et c-Src. À noter que les mécanismes dépendant de RhoA et PKC sont mutuellement impliqués dans la modulation de la migration et de la rigidité des cellules associées aux FI K8/K18. Dans leur ensemble, les résultats démontrent une implication incontestable des FI K8/K18 dans la modulation de l'homéostasie mécanique des cellules de l'épithélium simple.