Lorsqu'une tumeur grossit, elle exerce une pression sur les tissus environnants et est comprimée en retour. Des expériences sur un modèle de tumeur in vitro, appelé sphéroïde, ont montré que cette pression influence largement le devenir du tissu cancéreux, notamment en freinant sa croissance, mais aussi en le rendant plus invasif. Pour mieux comprendre ce dernier effet, nous avons cherché à étudier le comportement migratoire des cellules à l'intérieur d'un sphéroïde sous pression. Observer l'intérieur d'un sphéroïde pose cependant un problème technique car les méthodes usuelles d'imagerie ne sont pas utilisables dans des tissus épais (> 100 μm). L'imagerie classique étant limitée en profondeur à cause de la diffusion de la lumière, nous nous sommes tournés vers une méthode qui utilise justement celle-ci : la diffusion dynamique de lumière ou DLS (Dynamic Light Scattering). Nous avons développé son application à la migration cellulaire, afin d'obtenir la distribution des déplacements relatifs des cellules au cours du temps. Cette mesure est faite sans utiliser de marqueurs spécifiques et est applicable à des sphéroïdes allant jusqu'à 400 μm de diamètre. Nous avons ainsi mis en évidence une organisation radiale du sphéroïde en termes de mobilité, avec des cellules rapides en surface et plus lentes au centre. Nous avons aussi montré qu'en appliquant une contrainte au sphéroïde, la vitesse moyenne diminue jusqu'à être réduite de moitié pour des pressions supérieures à 15kPa. Une autre équipe a mesuré par ailleurs une augmentation de la vitesse des cellules en surface suite à une compression, ce qui indique que l'organisation radiale se retrouve dans la réponse à la pression. Nous avons montré que cette sensibilité à la pression est une propriété qui émerge de l'organisation 3D du tissu, dans laquelle la matrice extracellulaire joue un rôle primordial. Enfin, pour explorer les possibilités qu'offre notre technique, nous l'avons appliquée à une autre question : comment la migration des macrophages est-elle affectée par les signaux provenant de cellules apoptotiques ? Les résultats ont montré que les cellules apoptotiques précoces augmentent la vitesse des macrophages tandis que les cellules apoptotiques tardives la réduisent. D'un cas à l'autre, la longueur de persistance du mouvement est conservée. / As a tumor grows, it exerts a mechanical pressure on its surrounding tissue and is compressed back as a reaction. Recent experiments on an in vitro tumor model, called spheroid, have shown that this pressure is crucial for the fate of the cancerous tissue. In particular, the pressure slows down its growth, but makes it more invasive. To further understand the latter effect, we decided to study the migration of cells inside spheroids under pressure. However, imaging the inside of a spheroid is technically challenging as usual microscopy methods do not work on thick tissues (> 100 μm). Standard imaging methods are limited in terms of depth penetration because of light scattering. For this reason, we decided to take advantage of this scattered light with a method called Dynamic Light Scattering (DLS). We developed its application to cell migration in order to measure the distribution of cells displacements over time. The measurement is label-free and works with spheroids as thick as 400 μm in diameter. By this means, we revealed a radial organization inside the spheroid in terms of mobility, with fast cells at the surface and slower cells in the core. We also showed that applying a pressure onto spheroids decreases the average cell speed by a factor up to two for pressure greater than 15 kPa. Another team reported an increase in the speed of cells located at the surface of a compressed spheroid, which implies that the radial organization is also true for the impact of pressure. We demonstrated that this sensitivity to an external pressure is a 3D emergent property, in which the extracellular matrix plays an essential role. Finally, we explored the potential of our technique by addressing another question: how do apoptotic cells signals affect the migration of macrophages? We found that early apoptotic cells increase the speed of macrophages whereas late apoptotic cells decrease it. In both cases, the persistence length of the motion is the same.

Bien que reconnu comme une étape importante vers une meilleur compréhension de l’évolution des tumeurs, de la morphogénèse des tissus et des tests hauts débits de médicaments, l’utilisation de tests cellulaires in vitro en trois dimensions est toujours limitée et ce surtout par la difficulté d’établir un protocole simple et robuste pour leur formation. Dans ce travail, nous présentons d'abord une nouvelle méthode microfluidique pour la formation des sphéroïdes multicellulaires. Cette technologie des Capsules cellulaire est basée sur l'encapsulation et la croissance des cellules à l'intérieur de micro- sphères creuses, perméable, élastiques. Deuxièmement, nous montrons que ces microcapsules servent de capteurs mécaniques pour mesurer la pression exercée par les sphéroïdes expansion. En imagerie en temps réel multi- photons, on observe en outre que le confinement induit une organisation cellulaire stratifiée, avec un noyau nécrotique, solide et dense, entouré d'un rebord de cellules périphériques hyper-mobiles, qui présentent des propriétés invasives. Troisièmement, nous avons adapté la technologie des capsules cellulaires pour former des tubes creux. Cette géométrie cylindrique nous permet d'étudier l'impact de la libération partielle de confinement (le long de l'axe du tube principal) sur la cinétique de croissance d’agrégats cellulaires pseudo-unidimensionnel (nommé cylindroids). Nos données de microscopie et l’analyse d'images suggèrent un mécanisme de croissance par pointe et la prouvent la génération d’une contrainte radiale. La combinaison des configurations sphériques et cylindriques tend vers l'image globale du confinement qui déclenche la motilité cellulaire et l'invasion par la périphérie de l'agrégat cellulaire tandis que la prolifération des cellules est inhibée dans le noyau lorsque la pression augmente. Quatrièmement, nous utilisons l’alginate comme moule pour concevoir des coquilles et tubes multicouches perméables. En particulier, une légère adaptation du protocole nous permet d'ancrer une fine couche de Matrigel (utilisé comme une membrane basale artificielle) sur la paroi interne de l'alginate. Par l'utilisation de ces capsules sphériques décorés de Matrigel, nous montrons que les monocouches sphériques fermés de cellules épithéliales, ou des kystes, peuvent être facilement conçus avec des tailles qui sont imposées par la taille des capsules. De même, les capsules tubulaires décorées de Matrigel sont utilisées pour la formation des organoïds cultivés à partir de cellules extraites des cryptes du côlon de la souris. Enfin, notre technologie offre une nouvelle voie pour produire dans les tests cellulaires in vitro utiles pour développer de nouvelles thérapies anticancéreuses ou des approches d'ingénierie tissulaire et d'étudier l'interaction entre la mécanique et de la croissance dans les agrégats cellulaires in vitro. / Although recognized as an important step towards better understanding of tumor progression, tissue morphogenesis and high throughput screening of drugs, the use of three dimensional in vitro cellular assays is still limited, especially due to the difficulty in establishing simple and robust protocols for their formation. In this work, we first present a novel microfluidics-assisted method for multicellular spheroids formation. This Cellular Capsules technology is based on the encapsulation and growth of cells inside permeable, elastic, hollow micro-spheres. Second, we show that these microcapsules serve as unique mechanical sensors to measure the pressure exerted by the expanding spheroids. By multiphoton live imaging, we additionally observe that confinement induces a layered cellular organization, with a dense, solid, necrotic core surrounded by a rim of hyper-motile peripheral cells, which exhibit enhanced invasive properties. Third, we adapt the Cellular Capsules technology to form hollow tubes. This cylindrical geometry allows us to investigate the impact of partial confinement release (along the main tube axis) on the growth kinetics of pseudo-one dimensional cellular aggregates (named cylindroids). Our microscopy data and image analyses suggest a tip-growing mechanism and evidence radial stress generation. The combination of the spherical and cylindrical configurations leads to the overall picture that confinement triggers cell motility and invasion at the periphery of the cellular aggregate while cell proliferation is inhibited in the core as pressure builds up. Fourth, we use alginate as a template to design multilayered permeable shells and tubes. In particular, slight adaptation of the protocol allows us to anchor a thin layer of Matrigel (used as an artificial basement membrane) to the alginate inner wall. Using these Matrigel-decorated spherical capsules, we show that closed spherical monolayers of epithelial cells, or cysts, can be readily engineered with sizes that are imposed by the size of the capsules. Similarly, Matrigel-decorated tubular capsules are shown to be convenient for the formation of organoids grown from cells extracted from the cypts of mouse colon. Finally, our technology offers a new avenue to produce in vitro cell-based assays useful for developing new anti-cancer therapies or tissue engineering approaches and to investigate the interplay between mechanics and growth of in vitro cellular assemblies.