Une tumeur est constituée d'une population de cellules en interaction organisée en 3 dimensions. Le développement tumoral est influencé non seulement par des signaux biochimiques mais également par des signaux biomécaniques. En effet, les forces de compression et de tension sont des éléments importants de la physiologie des cellules. Des changements de l'homéostasie mécanique dans les tissus sont observés au cours de la croissance tumorale. Plusieurs études ont montré que la modification de l'environnement mécanique peut moduler la croissance tumorale des cellules, la migration et l'invasion ainsi que la prolifération et l'apoptose. Cependant, les propriétés mécaniques intrinsèques des tumeurs sont elles peu connues. Le sphéroïde est un modèle multicellulaire reproduisant l'organisation des cellules dans une tumeur, en récapitulant les interactions cellule-cellule et cellule-microenvironnement. Différentes approches expérimentales visant à étudier les propriétés mécaniques des sphéroïdes ont permis de déterminer certains paramètres physiques pertinents, mais elles ne donnent pas accès directement aux forces exercées par le sphéroïde en croissance sur son environnement.
Afin d'étudier les propriétés mécaniques des sphéroïdes, mon projet est de déterminer les forces exercées par des sphéroïdes tumoraux en cours de croissance. Dans cet objectif, j'ai développé des micropilliers en PDMS de rapport de forme élevé et démontré qu'ils se comportent comme des capteurs de force. La quantification du déplacement des piliers nous a permis de montrer que le déplacement des piliers diminue lorsque le diamètre des piliers augmente. Enfin, nous avons mesuré les forces exercées par un sphéroïde de cancer mammaire. Nous avons constaté que la croissance des sphéroïdes induit un déplacement croissant des piliers avec le temps et que les forces correspondantes sont de l'ordre de quelques centaines de nanoNewtons. Nous avons trouvé que les forces générées dépendent de la rigidité de l'obstacle environnant, ce qui s'est traduit par la génération des forces plus grandes envers des micropiliers plus rigides.
L'ensemble de ces résultats montre que les sphéroïdes en croissance sont capables de détecter leur micro-environnement et générer des forces en fonction de la résistance du dispositif. L'utilisation de ces microdispositifs comme des microcapteurs de force ouvre de nouvelles perspectives dans les domaines de la mécanique des tissus et en pharmacologie anti-tumorale.
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A tumor is a 3 dimensional organized population of interacting cells. Tumor growth and progression is influenced not only by biochemical cues but also biomechanical ones. Indeed, sensing compression and tension forces are important components of cell physiology. Changes in mechanical homeostasis within tissues are observed during tumour growth. Several studies have shown that the modification of the mechanical environment can modulate tumour cell growth, migration and invasion as well as proliferation and apoptosis. However, little is known about the intrinsic tumour mechanical properties. Spheroids, unlike cells in monolayers, provide a unique 3 dimensional model to study the mechanical properties of tumors. They accurately reproduce the organization of a microtumour, recapitulating cell–cell and cell–microenvironment interactions. Different experimental approaches have been developed to investigate the mechanical properties of spheroids. However, these approaches allow the determination of some relevant physical parameters, but they do not give direct access to the forces exerted by the growing spheroid on its environment.
Therefore in order to investigate the mechanical properties of spheroids, my project was to determine the forces exerted by tumor spheroids during growth. This was done by engineering biocompatible high aspect ratio PDMS microdevices, using microfabrication technics. We showed that micropillars can serve as force sensors. We demonstrated that a spheroid under growth induces increasing pillars displacement with time and that the corresponding forces are of the order of a few hundred nanoNewtons. We found as well that the generated forces depend on the rigidity of the surrounding obstacle, which was reflected by the generation of increased forces towards more rigid micropillars.
The ensemble of these results shows that growing spheroids are able to sense their microenvironment and generate forces according to the resistance of the device. The use of these microdevices arrays as force microsensors opens new prospects in the fields of tissue mechanics and pharmacological drug screening.
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