Ce travail nous a permis de proposer un cadre pour sonder la morphogenèse d'une micro-colonie bidimensionnelle. Plus particulièrement, nous avons exploré la manière dont les effets individuels de croissance et d'adhésion se combinaient au cours de la croissance de la micro-colonie. Nous avons montré (i) que l'adhésion de cellules isolées est asymétrique du fait d'un vieux pôle plus ancré et (ii) que l'allongement des bactéries peut induire des forces de poussée à l'intérieur des colonies. Dans la mesure où ces deux effets, combinés à l'échelle d'une micro-colonie, sont susceptibles de générer des contraintes mécaniques, nous avons développé une technique pour mesurer les forces d'adhésion résultantes à l'aide de substrats déformables. Nous avons ainsi démontré que des adhésions focales sont créées et rompues dynamiquement, avec un biais au vieux pôle des cellules. Nous avons aussi examiné le rôle de l'adhésion sur la forme des colonies. Nous avons montré que l'adhésion polaire était responsable de la transition d'un régime de croissance linéaire à un régime bidimensionnel qui est observée après la première division. Pour des colonies de taille plus importante, le niveau d'adhésion était aussi corrélé avec la forme globale des colonies. Enfin, l'adhésion est aussi impliquée dans la transition d'une colonie bidimensionnelle à une colonie tridimensionnelle. L'ensemble de ces résultats suggère que l'expression des adhésines ainsi que leur localisation à la surface des cellules pourraient permettre aux bactéries de moduler activement la forme du groupe dans lequel elles vivent. / In this work, we propose a framework to understand the morphogenesis of two-dimensional microcolonies. In particular, we have explored how growth and adhesion of individual cells compete during microcolony extension. We have shown (i) that isolated cells display an asymmetry in their adhesion, which is higher at the old pole, (ii) that bacterial elongation can result in pushing forces inside the colony. Since the combination of these two effects is expected to produce mechanical stress at the scale of the microcolony, we have developed a method to measure the resulting adhesion forces using deformable substrates. We have demonstrated that focal adhesions are dynamically established and ruptured, with a bias towards the old poles. We have also probed the role of adhesion in the shape of the colony. We have shown that polar adhesion drives the transition from a linear to a two-dimensional growth after the first division. At larger colony sizes, the level of adhesion continues to correlate with the global shape of the colony. Finally, adhesion is involved in the transition from a two-dimensional to a three-dimensional colony. Taken together, our results suggest that the expression of adhesins and their location at the surface of the cells could be levers by which bacteria actively modulate the shape of the group in which they reside.

Les cellules épithéliales forment des tissus cohésifs, sous forme de monocouches que l'on retrouve dans les poumons, les reins ou la peau. Travaillant à partir d'expériences in vitro, nous avons caractérisé le comportement mécanique de monocouches cellulaires. Nous avons étudié la fermeture de blessures circulaires sur un substrat non adhésif. En comparant différents modèles, nous avons montré comment la fermeture est possible grâce à un cable contractile d'acto-myosine et aux fluctuations de la tension du tissu. La Microscopie des Forces de Traction (TFM) permet de mesurer les forces que les cellules exercent sur leur substrat. A partir de cette mesure et en utilisant l'équilibre des forces, nous avons développé une méthode qui résout ce problème sous-déterminé par inversion bayésienne et permet d'obtenir le champ des contraintes internes au tissu. En appliquant cette méthode sur des images (BISM: Microscopie des contraintes par inversion bayésienne) et en l'adaptant à l'aide d'un filtre de Kalman sur des films (KISM: Microscopie des contraintes par inversion de Kalman), nous avons inféré le tenseur des contraintes de monocouches cellulaires sans faire aucune hypothèse sur la rhéologie du tissu. Enfin, nous avons estimé les contraintes directement depuis les déplacements du substrat, sans passer par les forces de tractions et donc en réduisant le nombre d'inversions de matrice (BISMu: Microscopie des contraintes par inversion bayésienne à partir des déplacements du substrat). / Epithelial cells are known to form cohesive monolayers, a form of tissue organization encountered in the lung, the kidney or the skin. From in vitro experiments, we have characterized the mechanical properties of cell monolayers. We have studied the closure of circular wounds over a nonadhesive substrate. Comparing different models, we have shown how closure is possible thanks to a contractile acto-myosin cable and to fluctuations of the tissue tension. Traction Force Microscopy (TFM) allows to measure the forces that cells exert on their substrate. Starting from this measurement and using the force balance equations, we have solved this underdetermined problem by Bayesian inversion and obtained the internal stress field of the tissue. Applying this method on single images (BISM: Bayesian Inversion Stress Microscopy), and adapting it with a Kalman filter for movies (KISM: Kalman Inversion Stress Microscopy) we have inferred the stress tensor of cell monolayers, without making any hypothesis on the tissue rheology. Finally, we have estimated the stresses directly from the substrate displacements, without computing the traction forces and thus reducing the number of matrix inversions (BISMu: Bayesian Inversion Stress Microscopy from substrate displacements).

Les métastases sont responsables de 90 % des décès causés par le cancer. Les métastases sont des foyers cancéreux secondaires qui se forment à distance de la tumeur d’origine. Des cellules cancéreuses quittent la tumeur primaire, rejoignent la circulation sanguine puis colonisent des organes voisins par migration à travers l’endothélium vasculaire. Ce phénomène d’adhésion à l’endothélium et de migration à travers l’endothélium appelé l’extravasation est une étape clé du processus métastatique. L’identification des molécules impliquées constitue une priorité dans le but d’élaborer de nouvelles drogues anticancéreuses. Nous avons précédemment montré que la molécule d’adhésion cellulaire InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) exprimée par les cellules endothéliales, est impliquée dans l’interaction des cellules de cancer de la vessie (BCs) avec l’endothélium. Cependant les ligands d’ICAM-1 n’ont pas été étudiés. Dans cette étude, nous utilisons des tests d'adhésion cellulaire et la microscopie à force atomique (AFM) afin d’identifier les ligands d’ICAM-1 et de mesurer les forces impliquées dans l’interaction ligand-ICAM-1. Nous avons identifié que les protéines MUC1 et CD43 exprimées par les BCs les plus invasives se lient à ICAM-1 en développant des forces d’intensité différente selon le couple considéré. Une analyse détaillée des événements de rupture suggère que CD43 est fortement lié au cytosquelette et que son interaction avec ICAM-1 correspond principalement à des sauts brusques. Au contraire, MUC1 semble être lié faiblement au cytosquelette et ses interactions avec ICAM-1 sont principalement associées à la formation de filaments membranaires ou « tethers ». Les forces mises en jeu lors de la migration des cellules cancéreuses à travers l'endothélium ont été étudiées par microscopie de forces de traction (TFM). Les résultats préliminaires montrent que les tractions exercées par les cellules cancéreuses lors de l’extravasation sont mesurables par TFM. / Cancer metastasis is associated with 90% cancer-associated deaths, when cancer cells escape from the primary tumor and form metastatic colonies in secondary sites. Extravasation is an important step in cancer metastasis, where cancer cells carried in blood, adhere and transmigrate through the endothelium. Therefore identifying the key molecules involved during the adhesion process could enable to develop new anticancer cancer drugs able to inhibit the adhesion of cancer cells to the endothelium. We have previously shown that InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) expressed by endothelial cells is involved in the interactions of bladder cancer cells (BCs) with the endothelium. However the ICAM-1 ligands have never been investigated. In this study, we combined adhesion assays and Atomic Force Microscopy (AFM) to identify the ligands involved and to quantify the forces relevant in such interactions. We report the expression of MUC1 and CD43 on BCs and demonstrate that these ligands interact with ICAM-1 to mediate cancer cell-endothelial cell adhesion in the case of the more invasive BCs. AFM experiments were performed to quantify the force ranges involved by MUC1 and CD43 during their interaction with ICAM-1. AFM measurements combined with a Gaussian Mixture Model showed distinct force ranges for the interaction of ICAM-1 with MUC1 and ICAM-1 with CD43. Furthermore, a detailed analysis of the rupture events suggests that CD43 is strongly connected to the cytoskeleton and that its interaction with ICAM-1 mainly corresponds to force ramps followed by sudden jumps. On the contrary, MUC1 seems to be weakly connected to the cytoskeleton as its interactions with ICAM-1 are mainly associated with the formation of tethers. The forces involved during the transmigration of cancer cells through the endothelium was investigated using Traction Force Microscopy (TFM). Preliminary results showed that tractions exerted by cancer cells during transmigration can be studied and quantified using TFM.

Les forces mécaniques, générées par la cellule jouent un rôle crucial dans l'adhésion cellulaire, qui est un processus commun à un grand nombre de lignées cellulaires. Afin de mesurer la champ des forces pendant l'adhérence cellulaire, nous utilisons la microscopie de force de traction, où la cellule adhère à la surface plane d'un substrat souple dans le plan. Les forces sont calculées à partir du champ de déplacement mesuré à l'intérieur du substrat sous la cellule. Nous avons construit le microscope, dans lequel nous utilisons des billes sphériques en polystyrène pour mesurer le champ de déplacement. Les positions des marqueurs sont obtenues en analysant I' image interférentielle des particules. Avec cette technique, nous atteignons une précision nanométrique sur le champ de déplacement des particules, ce qui nous permet d'améliorer la résolution en force de ce type de microscope. Les premières mesures ont été effectuées avec la lignée de cellules cancéreuses SW 480. / Mechanical forces, generated by the cell plays crucial role in cell adhesion - common process for different cell lines. ln order to measure the force map during cellular adhesion, we use Traction Force Microscopy (TFM), where cell adheres to the soft substrate in 20 plane, and the forces are calculated from measured displacement field inside the substrate underneath the cell. We built the microscope, where instead of using fluorescent markers, we use spherical polystyrene beads in order to measure the displacement field. Positions of the markers are obtained by analyzing the interference pattern caused by the beads in bright-field light. With this technique, we reach nanometer accuracy of the microsphere position determination, that, respectively, influence accuracy of the calculated force field. With the microscope first measurements were performed with cancer cell line SW 480.