Ce manuscrit détaille le développement d'un montage de pince optique permettant d'étudier les propriétés mécaniques des cellules endothéliales, impliquées dans le développement de l'athérosclérose. Le but est de déterminer les propriétés viscoélastiques des cellules, et de suivre la propagation d’une contrainte mécanique au sein de la cellule. Cette contrainte mécanique est appliquée via une bille liée à la membrane de la cellule et soumise à un piège optique.Le dispositif réalisé combine le piégeage optique et la microscopie à contraste de phase, permettant d'exercer une force tout en imageant les cellules via le même objectif de microscope. L'originalité du montage de pince optique repose sur la détection du signal rétrodiffusé par la bille piégée, dans un plan conjugué du plan focal arrière de l'objectif, afin de mesurer la position relative de la bille par rapport au piège.Une part importante de ce travail a consisté à comprendre l'allure du signal détecté présentant un système d'interférences en anneaux, et à l’expliquer par un modèle simple. Ce modèle a permis de comprendre la présence d’artefacts de mesure de position dus à la superposition de l'anneau de phase sur la figure d’interférence. Pour y remédier, l'anneau de phase est déporté dans un plan conjugué intervenant uniquement dans l'imagerie de l'échantillon.La figure d'interférence présente un atout majeur : elle donne accès à la hauteur précise de la bille piégée, généralement difficile à mesurer. Cette information est nécessaire pour calibrer la constante de raideur du piège optique à la hauteur des cellules, que ce soit par l'analyse de la densité spectrale de puissance du mouvement brownien de la bille piégée ou par sa réponse à un échelon de position du piège. Ces deux méthodes de calibration, ainsi que l'application du théorème d’équipartition et l'analyse par inférence bayésienne, ont été mises en œuvre. Tous les résultats s'avèrent en bon accord. La calibration complète du dispositif en fait un outil prêt à l'emploi pour exercer des forces locales contrôlées en direction et en amplitude sur les cellules. / This manuscript details the development of an optical tweezer setup to study the mechanical properties of endothelial cells, involved in the development of atherosclerosis. The goal is to determine the viscoelastic properties of the cells, and to follow the propagation of the mechanical constraint inside the cell. This mechanical constraint is applied via a bead attached to the cell membrane and subjected to an optical trap.The setup built combines optical trapping with phase contrast microscopy, to apply a force while imaging the cells with the same microscope objective. The originality of the optical tweezer setup relies on the detection of the signal backscattered by the trapped bead, in a plane conjugate to the back focal plane of the objective, in order to measure the relative position of the bead with respect to the center of the trap.An important part of this work was dedicated to the understanding of the detected signal presenting an interference pattern with rings, explained by a simple model. This model provides an explanation for the position measurement artifacts arising from the superposition of the phase ring and the interference pattern. To solve the problem, the phase ring was moved in a conjugate plane involved only in the imaging path of the sample.The interference pattern has the main advantage of giving access to the precise height of the trapped bead, usually difficult to measure. This information is necessary to calibrate the optical trap stiffness at the height of the cells, either by the power spectrum analysis of the Brownian motion of the trapped bead, or by its response to a step motion of the trap. These two calibration methods, along with the application of the equipartition theorem and Bayesian inference analysis, were implemented and their results compared, showing a good agreement. The complete calibration of the setup makes it a ready-to-use tool to exert local forces controlled in direction and amplitude on cells.

Dans l'avenir, le développement de nouvelles plateformes autonomes et portatives capables de mesurer rapidement le module de Young de cellules biologiques pourraient révolutionner la recherche biomédicale. Le module de Young se révèle en effet aujourd'hui être un indicateur de plus en plus pertinent pour la détection précoce de diverses maladies dégénératives cellulaires. La mesure du module de Young à l'échelle cellulaire peut de plus permettre d'apprécier l'action de principes actifs pour le développement de nouveaux traitements médicamenteux ciblés. Cependant, la valeur du module de Young ne peut encore à l'heure actuelle être utilisée comme un indicateur fiable. Cette thèse présente la conception, la modélisation et la validation expérimentale d'un nouveau capteur de force visant à pallier certaines limitations actuellement rencontrées. Contrairement à la plupart des dispositifs développés jusqu'à présent, le capteur de force présenté dans cette thèse consiste en une structure planaire résonante offrant un coefficient de qualité élevé. La structure a été pensée non seulement pour conserver des performances élevées même en présence de liquide, mais également pour caractériser différents types de cellules (cellules en suspension ou cellules adhérentes). De plus, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse démontrent que la structure proposée permet d'estimer rapidement le module de Young de cellules sans avoir nécessairement recours à un modèle analytique ou à un microscope.

Du fait de sa complexité, le fonctionnement du cerveau est exploré par des méthodes très diverses, telles que la neurophysiologie et les neurosciences cognitives, et à des échelles variées, allant de l'observation de l'organe dans son ensemble jusqu'aux molécules impliquées dans les processus biologiques. Ici, nous proposons une étude à l'échelle cellulaire qui s'intéresse à deux briques élémentaires du cerveau : les neurones et les cellules gliales. L'approche choisie est la biophysique, de part les outils utilisés et les questions abordées sous l'angle de la physique. L'originalité de ce travail est d'utiliser des cellules primaires du cerveau dans un souci de proximité avec l'in vivo, au sein de systèmes in vitro dont la structure chimique et physique est contrôlé à l'échelle micrométrique. Utilisant les outils de la microélectronique pour un contrôle robuste des paramètres physico-chimiques de l'environnement cellulaire, ce travail s'intéresse à deux aspects de la biologie du cerveau : la polarisation neuronale, et la sensibilité des cellules gliales aux propriétés mécaniques de leur environnement. A noter que ces deux questions sont étroitement imbriquées lors de la réparation d'une lésion. La première est cruciale pour la directionalité de la transmission de signaux électriques et chimiques et se traduit par une rupture de symétrie dans la morphologie du neurone. La seconde intervient dans les mécanismes de recolonisation des lésions, dont les propriétés mécaniques sont altérées., Les études quantitatives menées au cours de cette thèse portent essentiellement sur la phénoménologie de la croissance de ces deux types de cellules et leur réponse à des contraintes géométriques ou mécaniques. L'objectif in fine est d'élucider quelques mécanismes moléculaires associés aux modifications de la structure cellulaire et donc du cytosquelette. Un des résultats significatifs de ce travail est le contrôle de la polarisation neuronale par le simple contrôle de la morphologie cellulaire. Ce résultat ouvre la possibilité de développer des architectures neuronales contrôlées in vitro à l'échelle de la cellule individuelle. / The complex structure of the brain is explored by various methods, such as neurophysiology and cognitive neuroscience. This exploration occurs at different scales, from the observation of this organ as a whole entity to molecules involved in biological processes. Here, we propose a study at the cellular scale that focuses on two building elements of brain: neurons and glial cells. Our approach reachs biophysics field for two main reasons: tools that are used and the physical approach to the issues. The originality of our work is to keep close to the in vivo by using primary brain cells in in vitro systems, where chemical and physical environments are controled at micrometric scale. Microelectronic tools are employed to provide a reliable control of the physical and chemical cellular environment. This work focuses on two aspects of brain cell biology: neuronal polarization and glial cell sensitivity to mechanical properties of their environment. As an example, these two issues are involved in injured brains. The first is crucial for the directionality of the transmission of electrical and chemical signals and is associated to a break of symmetry in neuron morphology. The second occurs in recolonization mechanisms of lesions, whose mechanical properties are impaired. During this thesis, quantitative studies are performed on these two cell types, focusing on their growth and their response to geometrical and mechanical constraints. The final aim is to elucidate some molecular mechanisms underlying changes of the cellular structure, and therefore of the cytoskeleton. A significant outcome of this work is the control of the neuronal polarization by a simple control of cell morphology. This result opens the possibility to develop controlled neural architectures in vitro with a single cell precision.

Le premier chapitre de cette thèse traite de l'importance des échelles temporelles et spatiales dans le contexte des systèmes vivants. J'y décris également les principaux composants de la réponse mécanique des cellules vivantes. Après ce chapitre introductif, le deuxième chapitre est dédié à la réponse mécanique des cellules évaluée avec l'AFM et en particulier, son aspect dynamique. Je présente d'abord l'analyse des courbes force-indentation, puis je propose une méthode alternative pour l'étude de la rhéologie cellulaire qui est basée sur l'excitation multifréquence du levier par bruit thermique. La DPM est l'objet du troisième chapitre où je revisite la méthode d'extraction de phase en utilisant la transformation en ondelette à deux dimensions. Ensuite je montre comment la DPM peut être utilisée pour caractériser les fluctuations temporelles et la morphologie de différents types de cellules du sang et de cellules adhérentes. Finalement, le chapitre quatre est un chapitre de conclusion où je fais une synthèse des résultats obtenus. Par exemple, je montre que, en comparaison avec des cellules saines, les cellules leucémiques subissent des changements morphologiques qui sont accompagnés par un comportement mécanique plus rigide et plus élastique. Cela indique que dans cet exemple la transformation cellulaire n'est pas seulement donnée par son cortex mais aussi par son cytosquelette et son couplage avec le noyau / In the first chapter of this thesis I discuss the importance of spatial and temporal scales in living systems, and I review the main components involved in the mechanical response of living cells. After this introductory chapter, the second one is dedicated to evaluating the mechanical response of single-cells with AFM, and in particular, its dynamical aspect. I present the analysis of force-indentation curves without any assumption on the linearity of the system, contrary to more typical analysis based on Sneddon’s or Hertz models. Then, I propose an alternative method to study the cell rheology based on the multi-frequency excitation of the cantilever by thermal noise. DPM is discussed on chapter three. I revisit the phase recovery method using the 2D wavelet transform, and I show how DPM can be used to characterize the temporal fluctuations and the morphology of different types of blood cells and adherent cells. Finally, chapter four is a conclusion chapter where I summarise our results by comparing healthy and pathological immature blood cells. For instance I show that, in comparison to healthy cells, leukaemic cells undergo morphological changes that are accompanied by a stiffer and more elastic behaviour. Altogether, our results indicate that this cell transformation involves the whole cytoskeleton and its coupling to the nucleus rather than simply the cell cortex

Cette thèse interdisciplinaire a été dédiée à la caractérisation des propriétés mécaniques de myoblastes (murins et humains) et de myotubes (murins) à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). En modifiant ou en inhibant la dynamique du cytosquelette (CSK) d’actine de ces cellules, nous avons pu montrer que ces propriétés mécaniques variaient. L’enregistrement de courbes de force indentation nous a permis de montrer que la présence de cellules adhérentes introduisait sur les leviers d’AFM un amortissement visqueux supplémentaire à celui d’une paroi solide, et que cet amortissement visqueux dépendait de sa vitesse d’approche et que celui-ci restait non négligeable pour les plus faibles vitesses (1μm/s). Nous avons observé que les propriétés mécaniques des précurseurs de muscles devenaient non linéaires (comportement plastiques) pour des grandes déformations (>1μm) et qu’elles dépendaient de l’état, du type de cellule et de leur environnement. En combinant des expériences d’AFM, des modèles visco-élastiques et des méthodes d'analyse multi-échelle basées sur la transformation en ondelettes, nous avons illustré la variabilité des réponses mécaniques de ces cellules (de visco-élastiques à visco-plastiques). À l'aide de courbes de force-indentation, de l’imagerie morpho-structurale (DIC, microscopie à fluorescence) et de traitements pharmacologiques, nous avons éclairé le rôle essentiel des processus actifs (dépendants de l’ATP) dans la mécanique de myoblastes, en discutant tout particulièrement ceux des moteurs moléculaires (myosine II) couplés aux filaments d’actine. En particulier, nous avons montré que les fibres de stress du cytosquelette d’actine situées autour du noyau pouvaient présenter des évènements de remodelage soudains (ruptures) et que ces ruptures étaient une mesure indirecte de l’aptitude de ces cellules à tendre leur CSK. Nous avons enfin montré qu’il était possible de généraliser cette approche à des cas cliniques humains, en l’occurrence des myoblastes primaires de porteurs sains et de patients atteints de dystrophie musculaire de Duchenne, ouvrant la voie à des études plus larges sur d’autres types cellulaires et pathologies. / This interdisciplinary thesis was dedicated to the atomic force microscopy (AFM) characterization of the mechanical properties of myoblasts (murine and human) and myotubes (murine). We reported that the mechanical properties of these cells were modified when their actin cytoskeleton (CSK) dynamics was inhibited or altered. Recording single AFM force indentation curves, we showed that adherent layers of myoblasts and myotubes introduced on the AFM cantilever an extra hydrodynamic drag as compared to a solid wall. This phenomenon was dependent on the cantilever scan speed and not negligible even at low scan velocities (1μm/s). We observed that the mechanical properties of the muscle precursor cells became non-linear (plastic behaviour) for large local deformations (>1μm) and that they varied depending on the state, type and environment of the cells. Combining AFM experiments, viscoelastic modeling and multi-scale analyzing methods based on the wavelet transform, we illustrated the variability of the mechanical responses of these cells (from viscoelastic to viscoplastic). Through AFM force indentation curves analysis, morpho-structural imaging (DIC, fluorescence microscopy) and pharmacological treatments, we enlightened the important role of active (ATP-dependent) processes in myoblast mechanics, focusing especially on those related to the molecular motors (myosin II) coupled to the actin filaments. In particular, we showed that the perinuclear actin stress fibers could exhibit some abrupt remodelling events (ruptures), which are characteristic of the ability of these cells to tense their CSK. Finally, we showed that this approach can be generalized to some human clinical cases, namely primary human myoblasts from healthy donors and patients affected by Duchenne muscular dystrophy, paving the way for broader studies on different cell types and diseases.

Le développement des plantes nécessite la coordination des mécanismes de différenciation des cellules méristématiques en cellules hautement spécialisées: la division, la croissance et la formation de la géométrie cellulaire. La différenciation et la morphogenèse cellulaires sont étroitement liées et régulées par les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. Les mécanismes conduisant à l’émergence de diverses formes et fonctions des tissus végétaux sont complexes et encore peu compris. Ma thèse de doctorat approfondie les principes mécaniques à la base de la formation des cellules épidermiques ondulées. Je me suis également penché sur l’étude des avantages mécaniques que confèrent les motifs imbriqués. Les cellules épidermiques sont constituées de deux parois cellulaires périclines parallèles reliées par des parois anticlines. Aux jonctions, les cellules épidermiques forment des cavités et des saillies imbriquées les unes aux autres. Des images en 3D, prises en microscopie confocale, de cotylédons marqués par des fluorophores spécifiques à la cellulose montrent une déposition accrue de cellulose au niveau des cavités des parois périclines s’étendant le long des parois anticlines. Le marquage des cotylédons par COS488 démontre également une plus grande abondance de pectines dé-estérifiées aux mêmes sites. J'ai développé des modèles par éléments finis de la déformation de la paroi cellulaire et simulé les disparités biochimiques en alternant les régions plus rigides à travers et au long des parois périclines des deux côtés d'une paroi anticline. Le modèle montre que les parois rigidifiées non déformables se développent en cavités lorsque la pression interne étire la paroi cellulaire. Le modèle suggère également la présence de contraintes mécaniques plus élevées au niveau des saillies. Les résultats du modèle indiquent qu'une boucle de rétroaction positive entre la contrainte et la rigidité de la paroi cellulaire générerait les formes ondulées à partir de différences infinitésimales de rigidité ou de contrainte de la paroi cellulaire. En outre, le modèle suggère que des événements de flambage stochastiques peuvent initier la morphogenèse des cellules. On a longtemps émis l'hypothèse que le motif imbriqué de cellules épidermiques améliore l'adhérence cellule-cellule et donc la résistance de traction de l'épiderme. L'étirage des feuilles d'Arabidopsis de type sauvage ou du mutant any1 (caractérisé par une réduction de l'ondulation cellulaire) n'a montré aucun détachement cellulaire en cas de rupture du tissu. J'ai émis l'hypothèse que les jonctions des cellules ondulantes renforcent la résistance de l'épiderme contre la propagation de fissures. J'ai observé une grande anisotropie dans la réponse mécanique à la rupture de l'épiderme d'oignon selon l’orientation des cellules. Les fissures qui suivent l’alignement des cellules se propagent sans trop de résistance, entraînant une rupture fragile du tissu. Ceci découlerait de la propagation de la ligne de rupture par suite du détachement des cellules. Les fissures se propagent difficilement lorsqu’elles sont perpendiculaires à l'axe principal des cellules. En fracturant des feuilles dont les cellules épidermiques sont ondulées, j'ai remarqué que les fissures se propageaient, par intermittence, à la fois au niveau des jonctions de la cellule et de la paroi cellulaire. J'ai émis l'hypothèse que ce motif de fracture d'épiderme à cellules ondulées se caractérisait par une augmentation de la résistance à la fracture. Pour n’étudier que les effets de la géométrie des cellules sur cette résistance, j’ai éliminé le rôle que jouerait l’anisotropie des matériaux en concevant des modèles physiques macroscopiques de l'épiderme. J’ai gravé au laser des motifs cellulaires sur du poly-méthacrylate de méthyle. De cette façon, le matériau isotrope permettait d'étudier uniquement l'effet de la géométrie cellulaire. Alors que la fracturation des spécimens de contrôle sans gravure et des spécimens avec des cellules gravées longitudinalement ont démontré une rupture fragile, une fracturation transversale aux rangées cellulaires, dans les modèles mimant des cellules d’oignon ou des cellules ondulées de cotylédons d’Arabidopsis, a montré une résistance accrue à la fracture. En conclusion, je démontre que la forme ondulée des cellules épidermiques est le résultat d’une distribution alternée de la rigidité dans la paroi cellulaire, un processus qui pourrait être initié par une anisotropie de stress stochastique due au flambement. De plus, ces formes cellulaires augmentent la résistance à la rupture de l'épiderme végétal en le protégeant contre la propagation des fissures; un mécanisme de défense ingénieux pour les surfaces les plus exposées. / Plant development entails cell division, cell growth and shaping, and the differentiation of meristematic cells into highly specialized cell types. Differentiation and cell shape are closely linked and involve the regulation of the mechanical properties of the cell wall. The mechanisms leading to the generation of the diverse array of shapes and functionalities found in plant tissues are perplexing and poorly understood. In my Ph.D. research, I investigated the mechanical principles underlying the formation of wavy leaf pavement cells. Further, I studied the putative mechanical advantage that emerges from the interlocking patterns. Epidermal pavement cells consist of two parallel periclinal walls connected by vertical anticlinal walls. At the borders, wavy pavement cells make interlocking indentations and protrusions. 3D confocal micrographs of cotyledons stained with cellulose-specific fluorophores revealed a significant accumulation of cellulose at the sites of indentation on the periclinal walls extending down the anticlinal walls. Staining the cotyledon samples with COS488 also suggested a higher abundance of de-esterified pectin at these sites. I developed finite element models of the cell wall deformation and simulated the biochemical inhomogeneities by assigning alternately stiffened regions across and along the periclinal walls on two sides of an anticlinal wall. It was observed that the non-deforming stiffened regions develop into sites of indentations when the internal pressure stretches the cell wall. The model also suggested higher stresses to associate with the neck regions. The model results indicate that a positive feedback loop between stress and cell wall stiffness could generate wavy shapes starting from infinitesimally small differences in cell wall stiffness or stress. Further, the model suggests that stochastic buckling events can initiate the cell shaping process. It has been long hypothesized that the interlocking pattern of pavement cells improves cell-cell adhesion and thus the tensile strength of the epidermis. Stretching to rupture the leaf samples of wild-type Arabidopsis or any1 mutant with reduced cell waviness did not show any cell detachment upon failure. However, I hypothesized the undulating cell borders could enhance the resistance of the epidermis against the propagation of damage. I observed a considerable anisotropy in the tear behavior of onion epidermis parallel and perpendicular to the cells’ main axis. Tears along the cell lines propagated without much resistance resulting in brittle failure of the tissue. This was observed to originate from tears propagating by cell detachment. Perpendicular to the cells’ main axis, tears had considerable difficulty in propagating. Fracturing the leaf samples with wavy epidermal cells, I noticed the cracks propagated in both the cell borders and the cell wall intermittently. I hypothesized that this pattern of fracture in the epidermis with wavy cells indicates an increase in the fracture toughness. To untangle the influence of material anisotropy from the cell geometry on fracture toughness, I designed macroscopic physical models of the epidermis by laser engraving the cell patterns on polymethylmethacrylate. This way, the isotropic material would allow studying only the effect of cell geometry. While fracturing the control specimens with no engraving and the specimens with longitudinally placed cells demonstrated a brittle fracture, fractures transverse to cell lines in the onion cell patterns or across the Arabidopsis cotyledon wavy cell pattern showed an increased fracture toughness. I suggest the wavy shape of pavement cells in the epidermis results from the alternate placement of stiffer regions in the cell wall, a process that can initiate from a stochastic stress anisotropy due to buckling. Further, these shapes increase the fracture toughness of the plant epidermis protecting it against the spread of damage; an ingenious defense mechanism at the most exposed surfaces.

La cellule est capable, en consommant l'énergie issue de l'hydrolyse de l'ATP, d'exercer des forces qui prennent leurs origines dans des réactions biochimiques. Un élément important de la cellule est le cytosquelette, composé principalement de microtubules et de filaments d'actine, il en constitue l'architecture et lui donne l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Il est composé de polymères réticulés et, du point de vue de la rhéologie, a un comportement viscoélastique. Au sein du cytosquelette, des processus tels que la polymérisation de l'actine ou des microtubules permettent d'exercer des forces. Des protéines, de la famille des moteurs moléculaires, ont pour rôle spécifique de convertir l'énergie stockée sous forme chimique en énergie mécanique. L'activité mécanique hors-équilibre de la cellule est donc directement reliée à ces forces d'origine biochimique. Dans ce travail, nous avons étudié la distribution statistique des forces d'origine biochimique s'exerçant sur une bille de taille micrométrique attachée au cortex d'actine par l'intermédiaire de récepteurs de l'adhésion cellulaire : les intégrines. L'étude des forces d'origine biologique est inséparable de la connaissance des forces d'origine thermique car à cette échelle microscopique la contribution des forces thermiques n'est pas négligeable. Les forces s'exerçant sur la sonde ont deux origines possibles : biologique ou thermique. Notre approche expérimentale est basée sur la combinaison de deux techniques de microrhéologie, active et passive, ce qui nous permet de calculer la fonction d'autocorrélation temporelle des forces exercées sur une sonde accrochée à l'actine corticale et de la comparer à la fonction d'autocorrélation des forces thermiques estimée via le théorème de fluctuation-dissipation. La différence entre ces deux spectres nous donne une idée de la contribution des forces d'origine biologique au mouvement de la bille et une mesure de l'écart du système à l'équilibre thermodynamique. Afin d'étudier plus en détail ce système de bille subissant des forces de la part de l'actine corticale, nous avons étudié l'effet de la variation de la densité de ligand recouvrant la bille. La question qui nous a animés tout au long de ce travail est l'origine de ces forces biologiques ou plus exactement la nature du composant du cytosquelette qui exerce ces forces athermiques. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la température sur ces forces biologiques. Nous avons ensuite étudié l'effet de la déplétion de l'ATP dans la cellule, de la dépolymérisation de l'actine et de l'inhibition des moteurs moléculaires de la famille des myosines.