Etude de l’impact des contraintes de croissance sur des micro-tumeurs - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study of the impact of growth stresses on micro-tumors

Etude de l’impact des contraintes de croissance sur des micro-tumeurs

Résumé

In a solid tumor, cancer cells form a mass where the volume is spatially limited by the surrounding tissue. The tumor undergoes compressive stresses that originate from its microenvironment and are induced in particular by its growth. In the case of pancreatic cancer, these stresses are significant and can reach the kilopascal range. They have a considerable influence on cell division, growth and cell motility, potentially leading to the inefficiency of certain drugs. Despite the importance of these studies, few researches have been carried out into understanding the mechanisms inherent in the response under compression. We have developed microfluidic devices to spatially confining tumor subunit models, known as spheroids. Each of the culture chambers contains a sensor (membrane) sensitive to the pressure induced by cell growth. We have also initiated experiments on a promising treatment which could circumvent the apparent inefficacy of conventional therapies under mechanical stress: oncolytic viruses. Using the microfluidic device, we were able to culture spheroids for 5 days and measure growth-induced pressures ranging from 0 to 3kPa. Using a cell line labelled with the FUCCI vector for measuring the phases of the cell cycle, we observed an accumulation of cells in the G1 phase of the cell cycle under the effect of growth-induced pressure. We were also able to study the impact of this pressure on macromolecular crowding present in the cytoplasm of the cells by carrying out rheological measurements using nanoparticles genetically expressed by the cells (GEMs). We observed a decrease in nanoparticle diffusion as the growth-induced pressure increased in the culture chambers. These results suggest that the concentration of macromolecules increases in parallel with the growth-induced pressure. In order to characterize the growth of cells within a spheroid, we carried out simulations using a simple finite element model. It revealed the presence of a pressure gradient in a spheroid that likely facilitate cell division at its periphery. In addition, by immunofluorescence labelling of the Ki-67 protein, we observed a majority of dividing cells at the edges of spheroids. We also carried out rheological measurements on cells located at different positions along the radius of the spheroids. Results show a diffusion gradient ranging from 0.55µm2/s for cells at the edge of the spheroid to 0.3µm2/s for cells located at the heart of the spheroid. Finally, we were able to compare the infection dynamics of oncolytic viruses on cells grown in 2D on substrates of different rigidity. On plastic, the infection dynamics obtained was slightly faster than one on a soft substrate (E=0.5kPa). Furthermore, when the cells were cultured at 2D under the effect of mechanical compression, the results showed a significant delay (40h) on the beginning of infection. In conclusion, we were able to measure spheroid growth-induced pressure using a microfluidic chip and study its impact on cell growth and macromolecular crowding. Results on oncolytic viruses show that infection depends to a greater or lesser extent on the type of mechanical stress applied to the cells. This work provides a new methodological perspective on the spatial confinement of spheroids and raises further questions about our understanding of the mechanisms characterizing the cellular response under compression.
Dans une tumeur solide, les cellules cancéreuses forment une masse dont le volume est limité spatialement par le tissu qui l’entoure. La tumeur subit des contraintes compressives qui proviennent de son microenvironnement et qui sont notamment induites par sa croissance. Dans le cas du cancer du pancréas, ces contraintes sont importantes et peuvent atteindre l’ordre du kilopascal. Elles ont une influence considérable sur la division cellulaire, la croissance ainsi que la motilité des cellules, entrainant potentiellement l’inefficacité de certains médicaments. Malgré l’importance de ces études, peu de recherches ont été menées sur la compréhension des mécanismes inhérents à la réponse sous compression. Nous avons mis au point des dispositifs microfluidiques permettant de confiner spatialement des modèles de sous-unités tumorales, appelés sphéroïdes. Chacune des chambres de culture comporte un capteur (membrane) sensible à la pression induite par la croissance des cellules. Par ailleurs, nous avons initié des essais sur un traitement prometteur qui pourrait permettre de contourner l’inefficacité sous contrainte mécanique de thérapies usuelles: les virus oncolytiques. Grâce au dispositif microfluidique, nous avons pu cultiver des sphéroïdes pendant 5 jours et mesurer des pressions de croissance allant de 0 à 3kPa. En utilisant une lignée cellulaire marquée avec le vecteur FUCCI permettant de mesurer les phases du cycle cellulaire, nous avons observé sous l’effet de la pression de croissance, une accumulation de cellules dans la phase G1 du cycle cellulaire. Nous avons également pu étudier l’impact de cette pression sur l’encombrement macromoléculaire présent dans le cytoplasme des cellules en réalisant des mesures rhéologiques, faites au moyen de nanoparticules génétiquement exprimées par les cellules (GEMs). Nous avons observé une diminution de la diffusion des nanoparticules à mesure que la pression de croissance augmentait dans les chambres de culture. Ces résultats suggèrent que la concentration en macromolécules augmente en parallèle de la pression de croissance. Afin de caractériser la croissance des cellules au sein d’un sphéroïde, nous avons réalisé des simulations à partir d’un modèle par éléments finis simple. Ce dernier met en évidence la présence d’un gradient de pression dans un sphéroïde qui faciliterait vraisemblablement la division des cellules en sa périphérie. De plus, en réalisant des marquages en immunofluorescence de la protéine Ki-67, nous avons observé une majorité de cellules en division en bordure des sphéroïdes. Nous avons également réalisé des mesures rhéologiques sur des cellules localisées à différentes positions le long du rayon des sphéroïdes. Les résultats montrent un gradient de diffusion, allant de 0,55µm2/s pour des cellules présentes au bords du sphéroïde à 0,3µm2/s pour des cellules situées au cœur du sphéroïde. Enfin, nous avons pu comparer la dynamique d’infection des virus oncolytiques sur des cellules cultivées à 2D sur des substrats de différentes rigidités. Sur du plastique, la dynamique d’infection obtenue est légèrement plus rapide que sur un substrat mou (E=0,5kPa). Par ailleurs, lorsque les cellules sont cultivées à 2D sous l’effet d’une compression mécanique, les résultats montrent un important retard (40h) sur le début de l’infection. Pour conclure, nous avons pu mesurer la pression de croissance des sphéroïdes au moyen d’une puce microfluidique et étudier son impact sur la croissance des cellules et l’encombrement macromoléculaire. Des résultats préliminaires sur les virus oncolytiques montrent une dépendance de l’infection plus ou moins forte en fonction du type de contraintes mécaniques appliquées sur les cellules. Ces travaux apportent une nouvelle perspective méthodologique sur le confinement spatial de sphéroïdes et soulèvent des questions supplémentaires quant à la compréhension des mécanismes caractérisant la réponse cellulaire sous compression.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04425785 , version 1

Citer

Tiphaine Mateo. Etude de l’impact des contraintes de croissance sur des micro-tumeurs. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. UPS Toulouse, 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04425785⟩
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