En mécanobiologie, les forces des cellules sont considérées comme fondamentales pour leur fonction améliorée, notamment leur migration rapide. Mais un groupe de chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université Washington de St. Louis a découvert que les cellules peuvent générer et utiliser une force moindre tout en se déplaçant plus rapidement que les cellules générant et utilisant des forces élevées, renversant ainsi l'hypothèse séculaire de la force. .
Le laboratoire d'Amit Pathak, professeur de génie mécanique et de science des matériaux, a découvert que des groupes de cellules se déplaçaient plus rapidement avec une force moindre lorsqu'elles adhéraient à des surfaces molles avec des fibres de collagène alignées. On pense que les cellules génèrent continuellement des forces car elles doivent surmonter la friction et la traînée de leur environnement pour se déplacer. Cependant, ce besoin classique de forces peut être réduit dans des conditions environnementales favorables, telles que des fibres alignées. Leurs résultats, publiés dans Biologie computationnelle PLOS Les travaux du 9 janvier sont les premiers à montrer cette activité de migration cellulaire collective.
Pathak et les membres de son laboratoire suivent le mouvement des cellules épithéliales mammaires humaines depuis des années, déterminant que les cellules se déplacent plus rapidement sur une surface dure et rigide que sur une surface molle, où elles restent coincées. Leurs recherches ont des implications sur les métastases du cancer et la cicatrisation des plaies.
Dans la nouvelle recherche, ils ont découvert que les cellules migrent plus de 50 % plus rapidement sur les fibres de collagène alignées que sur les fibres aléatoires. De plus, ils ont découvert que les cellules utilisent des fibres alignées comme signaux directionnels pour guider leur migration vers l’expansion de leur groupe.
Nous nous sommes demandé si vous appliquez une force et qu’il n’y a pas de friction, les cellules peuvent-elles continuer à fonctionner rapidement sans générer plus de force ? Nous avons réalisé que cela dépend probablement de l'environnement. Nous pensions qu'ils seraient plus rapides sur des fibres alignées, comme les voies ferrées, mais ce qui était surprenant, c'est qu'ils généraient en réalité des forces moindres tout en allant plus vite.
Amit Pathak, professeur de génie mécanique et de science des matériaux, Université de Washington à Saint-Louis
Amrit Bagchi, qui a obtenu un doctorat en génie mécanique à McKelvey Engineering en 2022 dans le laboratoire de Pathak et est maintenant chercheur postdoctoral au Center for Engineering MechanoBiology de l'Université de Pennsylvanie, a déployé de grands efforts pour mettre en place la recherche. Bagchi a créé un hydrogel mou dans le laboratoire de Marcus Foston, professeur agrégé de génie énergétique, environnemental et chimique, pendant plusieurs mois pendant la pandémie de COVID-19, puis a aligné les fibres à l'aide d'un aimant spécial à l'École de médecine avant de mettre les cellules en place. pour suivre leur mouvement.
Bagchi a développé un modèle de moteur-embrayage à plusieurs niveaux dans lequel les mécanismes de génération de force dans les cellules agissent comme un moteur et l'embrayage fournit la traction aux cellules. Bagchi a habilement converti le modèle des cellules collectives en utilisant trois couches – une pour les cellules, une pour les fibres de collagène et une pour le gel personnalisé situé en dessous – qui communiquaient toutes entre elles.
« Bien que les résultats expérimentaux nous aient initialement surpris, ils ont donné l'impulsion nécessaire au développement d'un modèle théorique pour expliquer la physique derrière ce comportement contre-intuitif », a déclaré Bagchi. « Au fil du temps, nous avons compris que les cellules utilisent des fibres alignées comme substitut pour ressentir des forces de friction d'une manière qui diffère considérablement de l'état aléatoire des fibres. Le concept de mécanodétection et de transmission matricielle de notre modèle prédit également d'autres comportements de migration collective bien connus, comme l'haptotaxie et la durotaxis, offrant un cadre unifié permettant aux scientifiques d'explorer et potentiellement de s'étendre à d'autres phénotypes intéressants de migration cellulaire.
Bagchi A, Sarker B, Zhang J, Foston M, Pathak A. Mode rapide mais efficace de migration cellulaire collective supracellulaire grâce à la transmission de force extracellulaire. Biologie computationnelle PLOS9 janvier 2025, DOI : https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1012664.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (R35GM12876) et la National Science Foundation (CMMI : 154857 et CMMI 2209684).
