The spatio-temporal dynamics of cell membranes deformations and cell migration
Dynamique spatio-temporelle des déformations membranaires et de la migration cellulaire :
Résumé
The thesis concerns the study of cell deformations through 2 complementary approaches, experimental and theoretical motivated by the demonstration from previous works of the existence of a certain auto-organization of the deformation patterns for round-shaped cells. We have chosen to study L929 fibroblasts.which exhibit a more complex organization of the actin cytoskeleton. Experimental characterization has been performed from videomicroscopic image sequences. The morphodynamical data of the cells have been extracted from the images with 2 methods: (i) a segmentation of the cell boundaries and (ii) an optical flow method. The results show that the cells exhibit mainly symmetrical morphologies dynamically characterized by a synchronized and periodical pulsating movement. Theoretically, we have been interested in a cytomechanical model of deformations based on the poly/depolymerization dynamic of actin in relation to the mechanical interactions between the membrane and the cytoskeleton.The simulations have demonstrated the ability of the model to generate qualitatively pulsating states such as those observed. Two extensions of the model were proposed in order to take into account: (i) cell-cell interactions characterized by the inhibition of the cell protrusive activity and (ii) cell migration by chemotaxis by acting in both cases on the mechanical properties of the membrane and the cortex. Realistic behaviours of the cell could be simulated. Finally, a new formulation of the initial model has been proposed to model more the long membrane extensions of the fibroblasts. The work realized allows us in particular, to propose the possibility to use the morphodynamical parameters as criteria to identify the cell phenotypes.
La thèse concerne l'étude des déformations cellulaires à travers 2 approches complémentaires, expérimentale et théorique. motivées par la mise en évidence lors de travaux antérieurs, de l'existence d'une certaine auto-organisation des schémas des déformations membranaires pour des cellules arrondies. Nous avons choisi de nous intéresser ici au cas de fibroblastes L929 qui présentent une organisation plus complexe du cytosquelette. La caractérisation expérimentale a été réalisée à partir de séquences d'images vidéomicroscopiques. Les données morphodynamiques des cellules ont été extraites des séquences par 2 méthodes : (i) une segmentation des contours et (ii) une méthode de flot optique. Les résultats montrent que les cellules présentent le plus souvent des morphologies symétriques caractérisées dynamiquement par un mouvement pulsant synchronisé et périodique. Sur le plan théorique, nous nous sommes intéressés à un modèle cytomécanique des déformations décrivant la dynamique de poly/dépolymérisation de l'actine en relation avec les interactions mécaniques entre la membrane et le cytosquelette. Les simulations montrent la capacité du modèle à générer qualitativement des états pulsants tels qu'observés. Deux extensions du modèle ont alors été proposées pour prendre en compte : (i) l'interaction cellule-cellule caractérisée par l'inhibition de l'activité protrusive et (ii) la migration cellulaire par chimiotaxie, en agissant dans les 2 cas sur les propriétés mécaniques de la membrane et du cortex. Des comportements cellulaires réalistes ont ainsi pu être simulés. Finalement, une nouvelle formulation du modèle initial a été proposée pour modéliser les longs prolongements membranaires des fibroblastes. Le travail réalisé permet en particulier de proposer la possibilité d'utiliser les paramètres morphodynamiques comme critères d'identification des phénotypes cellulaires.