Ce manuscrit de thèse est composé de trois parties dédiées aux développements technologiques nécessaires à l'étude de la polarité et des contraintes mécaniques dans les cellules épithéliales. La première partie décrit les développements technologiques et méthodologiques qui ont été réalisés en micro-fabrication et traitement de surface, acquisition et analyse d'image, et mesure des forces de traction. La deuxième partie décrit l'étude de l'organisation spatiale du système d'adhérence des cellules épithéliales. De la régulation de leur polarité à celle de leur fonction, l'architecture des cellules épithéliales est profondément liée à leur système d'adhérence. Nous avons utilisé les micropatrons adhésifs pour contrôler la géométrie de la matrice extra-cellulaire pour examiner l'effet de l'adhérence des cellules avec la matrice sur la position des zones d'adhérence intercellulaire. Nos résultats montrent que l'organisation spatiale de l'adhérence cellule-matrice joue un rôle déterminant sur celle de l'adhérence intercellulaire. Ils montrent également que cette organisation dirige ensuite la position du centrosome et l'orientation de l'ensemble de la polarité interne. Lors d'une réorganisation spatiale de l'épithélium, comme c'est le cas au cours de la transition épithélium-mésenchyme, les systèmes d'adhérence et la polarité interne subissent tous les deux de profondes modifications. Néanmoins, les cellules semblent capables de les réguler de façon indépendante selon le type de stimulus qui induit la réorganisation. La dernière partie est une analyse des paramètres physiques impliqués dans l'architecture épithéliale. En parallèle des régulations biochimiques, les contraintes mécaniques jouent également un rôle fondamental dans la régulation des processus morphogenétiques. L'association de l'ensemble de nos développements technologiques (patterning de substrat déformable, logiciel de détection et de mesure de force, contrôle du positionnement des cellules) nous a permis d'analyser précisément les propriétés mécaniques des architectures multicellulaires. Nous avons découvert que l'organisation spatiale du système adhérence était un régulateur majeur de l'intensité et de la répartition des forces intra-cellulaires. Cette observation nous a permis de proposer une modification du modèle actuel de distribution des contraintes dans un épithélium qui prend en compte l'anisotropie des forces inter-cellulaires en réponse à l'hétérogénéité de la matrice extra-cellulaire. Ce nouveau modèle physique permet de rendre compte des positions adoptées par les cellules en réponse aux différentes géométries de la matrice extra-cellulaire. / This thesis dissertation is comprised of three major parts. The first part devotes to all the technological developments that have been realized in my thesis study. These developments in microfabrication, in image acquisition and analysis, and in the traction force analysis had solved various problems we have encountered during our study of epithelial architecture. The second part describes the study of the spatial organization of the adhesion systems in epithelia. From their polarity, their functioning, to their remodeling, the epithelial architecture is deeply linked with the adhesion systems. With the capability to well define the location of cell-matrix interaction, we examined how the intercellular adhesion was organized according to the cell-matrix adhesion. Our results highlighted the instructive role of cell-matrix adhesion in organizing the intercellular adhesion. This organization subsequently governed the internal polarity which was indicated by the centrosome positioning. During epithelial remodeling, both the adhesion system and internal polarity were subjected to modification. Nevertheless they could be regulated differently depending on the context of remodeling. The last part is focused on the physical aspect of the epithelial architecture. Apart from the biochemical signaling network, mechanical force is also a substantial ingredient in morphogenesis. Together with our techniques in micropatterning the soft gel, the development of software for traction force microscope, and our knowledge of cell-cell positioning, we were able to analyze precisely the mechanical property of the multicellular architecture. We found that the cellular contractility was modulated by the spatial organization of the adhesion system. It permitted us to complete the current physical model of epithelial geometry with an anisotropic term for contractility. This new physical model could effectively account for the cell positioning on various matrix geometries.

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.