L'objet de cette thèse est l'étude comparative de la réponse de cellules saines et malignes à la micro- et la nano-topographie de surface. L'interaction avec des stries de profondeur nanométrique est étudiée grâce à une méthode statistique. Nous démontrons que les cellules saines s'alignent plutôt sur des stries profondes, et que les cellules cancéreuses sont plus sensibles aux stries peu profondes. L'analyse des noyaux révèle qu’ils suivent l'alignement des corps cellulaires plus fidèlement dans le cas des cellules cancéreuses et que les noyaux de ces dernières sont plus sensibles aux stries de faible profondeur. Sur des micro-piliers nous démontrons que les cellules d’ostéosarcomes sont capables de se déformer et de faire adopter à leurs noyaux la forme de l'espace entre les piliers. Ceci ne se produit que durant la phase initiale d'adhésion pour les cellules saines. Les cellules immortalisées présentent un niveau intermédiaire de déformation. Quand l'espacement entre piliers est réduit, des différences de déformation sont révélées entre les lignées cancéreuses testées. La déformation est aussi liée au caractère cancéreux de kératinocytes et à l'expression de Cdx2 dans des lignées d'adénocarcinomes. Nous avons tenté d'expliquer ce mécanisme de déformation en l'attribuant au cytosquelette grâce à des analyses en microscopie confocale et avec des inhibiteurs du cytosquelette. L'imagerie de cellules vivantes a permis d'observer que les cellules sont très mobiles même quand elles sont déformées, que la mitose nécessite la perte de la déformation et que la déformation après mitose est plus rapide que la déformation pendant l'adhésion initiale des cellules. / This thesis deals with the differential response of healthy and cancerous cells to surface topography at the nanoscale and the microscale. Using a statistical method we developed we studied the interactions of cells with grooves of nanoscale depth. We demonstrate that healthy cells have a greater ability to align with deeper grooves, whereas cancerous cells are more sensitive to shallow grooves. Analysis reveals that the nucleus follows the alignment of the cell body more closely in cancerous cells, and that the nucleus of cancerous cells is more sensitive to shallow grooves.On microscale pillars we demonstrate for the first time that osteosarcoma cells deform to adopt the surface topography and that the deformation extends to the interior of the cell and in particular to the nucleus. We show that healthy cells only deform during the initial stages of adhesion and that immortalized cells show intermediate deformation between the healthy and cancerous cells. When the spacing between the pillars is reduced, differences in the deformation of different cancerous cell lines are detected. Deformation was also found to be related to the malignancy in keratinocytes, and related to the expression of Cdx2 in adenocarcinoma. The mechanism of deformation is tentatively attributed to the cytoskeleton and attempts to identify the main actors of deformation were performed using confocal microscopy and cytoskeleton inhibitors. Live cell imaging experiments reveal that the deformed cells are very mobile on the surfaces, loss of deformation is necessary for mitosis to occur and deformation after mitosis is more rapid than initial deformation upon adhesion to surfaces.

Le travail présenté dans cette thèse est le résultat d'une collaboration fructueuse entre la chimie, la physique et la biologie. En effet, des matériaux avec des propriétés physico-chimiques très contrôlées ont été mis à profit dans le but de caractériser des fonctions cellulaires complexes. Nous présentons tout d'abord la création d'un outil permettant l'étude de la mécanotransduction cellulaire. L'originalité de cet outil est basé sur son activation par étirement permettant de lier réversiblement les cellules à la surface. Nous avons ensuite étudié des comportements de cellules souches et cancéreuses en réponse à des microtopographies sous forme de piliers. Cette approche a permis de définir un comportement cancéreux caractérisé par une déformation prononcée des corps et noyaux cellulaires. Nous montrons aussi que l'utilisation de cette surface couverte de micro-piliers permet de décrire la mécano-biologie de cellules cancéreuses. En effet, ce substrat à topographie contrôlée a permis de montrer que la chimie et la rigidité du substrat n'ont que peu d'incidence sur la déformation des cellules cancéreuses, alors que les éléments du cytosquelette sont primordiaux et que sans eux, la déformation n'est pas possible. Nous avons ensuite inhibé une à une des protéines de l'enveloppe et de la lamina nucléaire afin d'évaluer leur implication dans ces mécanismes de déformation. En parallèle, un séquençage total des ARN (Acides RiboNucléiques) de cellules déformées et non déformées a été réalisé dans le but de visualiser d'éventuelles modifications dans l'expression génique. Ces déformations des cellules cancéreuses entre les micro-piliers ont été comparées à celles que subissent les cellules lors de la traversée de membranes poreuses (Chambres de Boyden). Ces comparaisons nous ont permis d'identifier que plusieurs mécanismes peuvent aboutir à la déformation de cellules cancéreuses et en particulier de leurs noyaux. Nous montrons dans une dernière partie que la mitose cellulaire s'effectue sur les surfaces microstructurées. Nous décrivons une ségrégation des chromosomes qui semble être non parallèle. Toutefois, ces divisions atypiques ne causent pas davantage d'accidents mitotiques. / The work shown in this thesis is the outcome of a successful collaboration between chemistry, physics and biology. Indeed, materials with well controlled parameters have been used in order to characterize complex cellular functions. We first introduce the creation of one tool which allow the study of cells mechanotransduction. The originality of this tool is based on its activation by stretching which allow a reversible adhesion of cells to the surface.Then, we studied the behavior of stem cells and cancerous cells on micropillared surfaces. This approach allowed us to describe a cancerous behavior of cells characterized by strong deformations of cells bodies and nuclei. We also showed that the use of such micropillared surfaces allowed us to describe cancerous cells mecanobiology. Indeed, this substrate with a well controlled topography allowed us to show that substrates chemistry and stiffness have only little effects on cancerous cells deformation while cytoskeleton components are necessary. More specifically, the deformation is impossible without the cytoskeleton. We also inhibited the nuclear envelope proteins and nuclear lamina proteins in order to evaluate their involvement in cells deformation mechanism. In the same time, a total RNA (RiboNucleic Acids) sequencing of deformed and non deformed cells have been done in order to identify an eventual modification in gene expression.These deformations of cancerous cells between micropillars have been compared to the deformation of cells during the transmigration through porous membranes (Boyden chambers). These comparisons allowed us to identify several mechanisms which lead to cells deformation and more specifically to nuclei deformation.We showed in a last part that cells can divide on micropillared surfaces. We described a non parallel like segregation of chromosomes. However, these unusual mitosis didn't lead to supernumerary troubles in cell division.

L'actine est une protéine très abondante dans les cellules eucaryotes, c'est un biopolymère qui s'assemble en filaments semiflexibles. La cellule contrôle au travers de protéines spécifiques (Actin Binding Proteins) la dynamique d'assemblage (et de désassemblage) des filaments d'actine, ainsi que l'arrangement de ces filaments en réseaux tridimensionnels. Les réseaux ainsi formés peuvent avoir des structures très variées, allant d'un arrangement en forme de câble où les filaments d'actine sont parallèles entre eux, jusqu'à une structure plus désordonnée en gel dans laquelle les filaments forment un réseau très interconnecté. Ces diverses organisations de l'actine lui permettent de jouer des rôles très divers au sein de la cellule. Parmi ces roles, l'un des plus remarquable est celui qu'elle tient dans la genèse de la morphologie de la cellule. En effet, aux bords de la membrane cellulaire, un réseau d'actine forme une partie du cytosquelette de la cellule et contribue à ce titre au maintient de sa forme. Pour se mettre en mouvement, la cellule doit acquérir une polarité, cela nécessite des restructurations importantes du cytosquelette. Au niveau de la membrane cellulaire, des protéines activent localement la polymérisation de l'actine, ce qui va contribuer à la déformation de la membrane et ainsi au mouvement de la cellule. Nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse aux contraintes mécaniques qu'un gel d'actine peut produire. Pour cela nous avons mis au point un système biomimétique constitué d'une goutte d'huile microscopique dont on recouvre la surface avec une protéine qui active la polymérisation de l'actine, comme celles que l'on trouve au niveau de la membrane cellulaire. Lorsque l'on met une telle goutte dans des extraits cellulaires, on observe la croissance d'un gel d'actine autour de la goutte. L'actine finie par former une comète qui propulse la goutte. L'aspect "mou" de la goutte d'huile fait que cette dernière se déforme sous l'action des contraintes qu'exerce le gel l'actine et prend une forme en poire. L'observation de la déformation de la goutte nous renseigne sur l'amplitude et la répartition des contraintes développées par l'actine. Un second aspect de notre travail fut de modifier les propriétés élastiques du gel d'actine formé. Pour ce faire, nous avons ajouté dans les extraits cellulaires une protéine qui réticule les filaments d'actines entre eux. Les résultats que nous avons obtenus sont présentés dans ce manuscrit.

Nous avons conçu un modèle pour étudier le rôle de la membrane dans les déformations cellulaires. Le cytoplasme est modélisé par un fluide selon les équations de Navier-Stokes supplémentées d'un nouveau terme pour rendre compte de l'activité de l'actine. La membrane est considérée comme une coque mince élastique. Les outils développés (utilisant la méthode des éléments finis, FEMLAB^{\copyright} et MATLAB^{\copyright}) permettent des simulations 2D. La simulation de déformations à tension constante ou en supposant la tension fonction décroissante de la densité de membrane montre que seul le second cas permet des déformations de grande amplitude avec une forte courbure. La définition de la tension de membrane comme une fonction décroissante donne une interprétation mécanique de l'ajout de membrane qui permet de rendre compte de déformations plus importantes encore. Les dynamiques proposées pour la courbure de repos permettent d'étudier le maintien des déformations en l'absence de poussée d'actine. Nous suggérons que les paramètres mécaniques de la membrane varient selon les types et les compartiments cellulaires. Résumé Notre travail montre que la dépendance de la tension de membrane vis à vis de la densité de membrane est cruciale pour obtenir de grandes déformations. De même, l'ajout de membrane est optimal s'il a lieu de part et d'autre de la poussée d'actine. Enfin, nous avons exploré l'hypothèse de l'adaptation de la courbure de repos comme mécanisme permettant le maintien de la déformation.