Descriptif

Objectifs

Ces vingt dernières années plusieurs techniques ont été développées pour sonder les propriétés mécaniques de la matière biologique aux échelles allant du nanomètre au micromètre. Ces techniques ont dévoilé l’importance cruciale d’aspects mécaniques dans la régulation de nombreux processus biologiques. Ceci a permis une meilleure compréhension du fonctionnement cellulaire physiologique et pathologique. Il est ainsi maintenant clair que des paramètres physiques entrent en jeu dans la régulation et le développement de maladies telles l’athérosclérose et le cancer. S’il n’est pas possible de prédire quelles seront les techniques qui seront développées à l’avenir pour dépasser les limites des techniques actuelles, il est à parier que beaucoup auront pour fondement – au moins en partie – les techniques mais surtout les principes de mesures actuellement mis en œuvre.

Un premier objectif de ce cours est ainsi de fournir aux élèves les outils pour comprendre quelles grandeurs mécaniques sont mesurables aujourd’hui, avec quelles techniques, et selon quel principe (déflexion d’un cantilever, force photonique, magnétique, étirement d’un substrat, sondes de fluorescence, pour mesurer une déformation moléculaire ou d’un champs de déformation cellulaire, une force de rupture, etc). Ce cours a pour but de décrire les outils expérimentaux modernes permettant de sonder les échelles moléculaires (échelle 1-10 nm) et cellulaires (1-10µm). Leurs gamme de fonctionnement, résolution et limites seront abordées à travers des exemples concrets en prise avec la recherche actuelle en biomécanique, biophysique, ou bioingénierie.

Les problématiques liées aux deux « mondes » nanométriques et micrométriques seront abordées : molécules uniques soumises aux fluctuations thermiques (exemples de la dénaturation d’une protéine sous traction, de la rupture d’un lien adhésif ligand-récepteur), ou cellules dont on mesure les propriétés viscoélastiques par microindentation faisant appel à des modèles de mécanique des milieux continus. On fera le pont entre les échelles nano- et micrométriques en décrivant notamment comment les propriétés cellulaires globales sont liées aux propriétés moléculaires, notamment des moteurs moléculaires interagissant avec le cytosquelette.

Le cours aura plusieurs objectifs secondaires, tels que sensibiliser les élèves à la démarche de recherche et d’innovation à l’interface entre mécanique, physique et biologie (problématique de l’intégration des apports complémentaires de la mécanique/physique et de la biologie). La problématique de la variabilité dans les mesures sur échantillons biologiques sera traitée. Le transfert de la recherche fondamentale vers l’industrie sera abordé à travers plusieurs exemples. Les développements prometteurs comme l’ingénierie tissulaire seront évoqués. Enfin différentes sources d’information bibliographique seront décrites et mises en pratique.

Thèmes traités

Architecture cellulaire : molécules, organisation, organites. Mécanique et organites : membrane, cytosquelette, noyau, mitochondries.

Mesures physiques/mécaniques au niveau moléculaire : systèmes nanométriques (protéines, acides nucléiques) soumis aux fluctuations thermiques. Déplacements, forces et énergies pertinentes. Spectroscopie de force. Applications : adhésion ligand-récepteur, génération de forces par des moteurs moléculaires (exemples : kinésine, flagelle bactérien, expulsion de l’ADN viral de la capside), dynamique du cytosquelette (exemple: polymérisation d’un microtubule).

Rhéologie cellulaire. Déplacements, forces et énergies pertinentes. Modèles et lois de comportement : viscoélasticité, lois de puissances, tenségrité, modèle de leucocytes (fluides) et de cellules adhérentes (solides). Applications : mesure de viscoélasticité de cellules adhérentes (microindentation), non adhérentes (microindentation, aspiration par micropipette), criblage et mécanique cellulaire (problématique, développements récents).

Techniques Expérimentales pour les échelles nanométriques : pinces optiques, pinces magnétiques, chambre à flux, microscopie à force atomique, micropipettes (1), microscopie à force atomique (1).

Techniques Expérimentales pour les échelles micrométriques : micropipettes (2), microscopie à force atomique (2), cytomètre à flux, substrats étirables.

Mécanique cellulaire et mécanotransduction. Sensibilité à la rigidité, durotaxie. Traction sur substrat élastique. Cellules souches et différenciation dépendant de l’environnement mécanique. Ouverture : ingénierie tissulaire et organes artificiels.

Recherche bibliographiques, analyse d’article scientifique et présentation.

Mécanique cellulaire et pathologies : athérosclérose, cancer, syndrome de détresse respiratoire aiguë.

Expériences en démonstration au laboratoire : microindentation cellulaire, aspiration par micropipette, générations de forces par des leukocytes, mécanique à la rupture de membranes cellulaires, fission mitochondriale.

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Objectives

Over the last two decades, several techniques were developed to probe the mechanical properties of biological matter at the nanometer to the micrometer level. These techniques revealed the important role played by mechanical aspects in the regulation of cellular physiological and pathological processes. It is thus now clear that physical parameters come into play the regulation and the development of diseases such as atherosclerosis and cancer. While it is not possible to predict which will be the future techniques that will overpass the limits of the current ones, it is to be bet that many will have as a base - at least partly - the principles of measures currently involved.

A prime objective of this course is thus to provide the tools to understand what mechanical property can be measure nowadays with modern techniques, and according to which principle (deflection of a cantilever,  photonic or magnetic force, stretching of a substrate, etc). The purpose of this course is to describe the modern experimental tools used to probe the molecular (1-10 nm) and cellular scales (1-10µm). Their range of operation, resolution and limits will be approached through concrete examples in catch with current research in biomechanics, biophysics, or bioengineering.

The problems related to both nanometric and micrometric “worlds” will be approached: single molecules subjected to thermal fluctuations (examples of the denaturation of a protein under traction, of the rupture of an adhesive ligand-receptor bond), or microindentation of cells in order to measure their viscoelastic properties using continuum mechanics modelization. We will make the bridge between the nano- and micro-metric scales by describing in particular how cellular properties are related to the molecular properties, in particular molecular motors interacting with the cytoskeleton.

The course will have several secondary objectives, such as describing research and innovation at the the interface between mechanics. The issues related to variability in measurements on biological samples will be treated. The transfer of fundamental research towards industry will be approached through several examples. The promising developments as tissue engineering will be evoked. Finally, various sources of bibliographical information will be described and put into practice. 

Topics

Cellular architecture: molecules, organization, organelles. Mechanics and organelles: membrane, cytoskeleton, nucleus, mitochondria. 

Physical/mechanical measurements at the molecular level:  nanometric systems (proteins, nucleic acids) subjected to thermal fluctuations. Relevant displacements, forces and energies. Force spectroscopy. Applications: legend-receptor adhesion, force generation by molecular motors (examples: kinesins, bacterial flagellum,  expulsion of viral DNA), cytoskeleton dynamics (example: microtubule polymerization).

 Cellular rheology.  Relevant displacements, forces and energies. Models: viscoelasticity, power laws, tensegrity, leucocyte model (fluid like) and adherent cells (solid like). Applications: viscoelasticity of adherent (microindentation) and nonadherent (microindentation, aspiration by micropipette) cells, cellular mechanics and screening (problematic, recent developments). 

Experimental techniques for the nanometric scales: optical and magnetic tweezers, flow chamber, atomic force microscopy (1), micropipettes (1).

Experimental techniques for the micrometric scales: atomic force microscopy (2), micropipettes (2) flow cytometry, stretchable substrates. 

Cellular mechanics and mechanotransduction. Rigidity sensing, durotaxis. Traction on elastic substrate. Stem cells and differentiation depending on the mechanical environment. Tissue engineering and artificial bodies.

Bibliography research, analyzis and presentation of scientific articles.

Cellular mechanics and pathologies: atherosclerosis, cancer, syndrome of acute respiratory distress. 

Experimental demaonstration in the laboratory: cellular microindentation, micropipette aspiration, force  generation by leukocytes, rupture of cellular membranes, mitochondrial fission.

Numerus clausus:15

Langue du cours : Français ou Anglais selon la présence de non francophones / French or English depending on the presence of non French speakers in the audience

Credits ECTS : 4