LES STRUCTURES DE TENSEGRITÉ :
MODELES DE CONNAISSANCE EN BIOMÉCANIQUE CELLULAIRE

Patrick CAÑADAS, Doctorant
Christian ODDOU, Professeur des Universités
Sylvie WENDLING, Maître de Conférences


    L’objectif de la biomécanique cellulaire est de mieux comprendre le comportement mécanique des cellules normales et pathologiques en relation avec leur structure et leur fonction. Le rôle des facteurs mécaniques sur la morphologie, la structure et la fonction cellulaires et sur l’expression génétique est un phénomène particulièrement important. En effet, le maintien, par un équilibre mécanique de la forme et de la structure cellulaire, semble jouer un rôle prépondérant dans la croissance, la différenciation et la polarité cellulaires (Ingber et al., 1986). La modification des forces mécaniques qui s’exercent sur la cellule peut provoquer des changements significatifs de la morphologie cellulaire ainsi que de l’organisation du cytosquelette et de la matrice péricellulaire (Thoumine et al., 1996).

    Plusieurs auteurs ont proposé de décrire le comportement mécanique du cytosquelette (CSQ) à partir des modèles de structures spatiales réticulées basés sur le concept de tenségrité (Ingber et al., 1981). La morphologie cellulaire et les changements de forme cellulaires sont étroitement liés:

    Les structures de tenségrité sont des systèmes réticulés spatiaux autocontraints constitués d’éléments quasi rigides isolés et comprimés par un réseau continu et prétendu d’éléments hyperélastiques. 

    S’il a été observé qualitativement des analogies d’architecture et de comportement mécanique de ces structures avec les cellules vivantes, peu d’études quantitatives ont permis de déterminer les propriétés mécaniques des structures de tenségrité dans le but d’interpréter les résultats biologiques obtenus par différentes techniques expérimentales sur des cellules en culture.


Fig. 1 : Image par microscopie confocale du réseau de microfilaments de cellules épithéliales en culture

    L’objectif de nos travaux est d’élaborer un modèle de connaissance basé sur le modèle de tenségrité pour prédire le comportement mécanique dynamique des cellules vivantes à partir de la connaissance des propriétés physiques des éléments constitutifs du cytosquelette.

    Nos travaux commencés en 1994 par la thèse de Sylvie Wendling (soutenue à l’Université Paris 12 en 1997) consistent à l’élaboration de modèles mathématiques et expérimentaux pour l’analyse du comportement en petites et en grandes déformations d’une structure élémentaire à 6 barres et 24 câbles hyperélastiques dans différentes conditions d’efforts quasi statiques (Fig.2). Une relation générale décrivant la rigidité de la structure de tenségrité élémentaire en fonction des propriétés géométriques et mécaniques des éléments constitutifs et de l’état de déformation globale de la structure a été déterminée. Il a été montré que le comportement de la structure de tenségrité à 30 éléments est fortement non linéaire et très dépendante de la taille (L*) de la structure et de l’état de tension initiale des câbles (Fig.3). Des résultats similaires ont été obtenus par des mesures expérimentales à l’aide de la magnétocytométrie sur des cellules en culture. La rigidité cellulaire augmente non linéairement avec la contrainte appliquée. Elle dépend également de l’état de tension interne du CSQ ainsi que des conditions d’attachement à la matrice extracellulaire. Ces travaux qui ont fait l’objet de plusieurs articles [1-4] ont été menés en collaboration avec l’équipe Biomécanique Respiratoire et Cellulaire de l’Unité INSERM-U492 (resp. D. Isabey) qui a développé la technique de la magnétocytométrie pour tester des cellules en culture sous contraintes mécaniques.
 

Fig. 2 : Structure de tenségrité élémentaire à 6 barres quasi rigides comprimées par 24 câbles hyperélastiques prétendus

Fig. 3: Relation "Contrainte-déformation" globale non linéaire de la structure à 30 éléments

    Les travaux actuellement en cours consistent à étudier le comportement dynamique de la cellule et tentent de prendre en compte les propriétés actives des réseaux filamenteux du cytosquelette. Cette approche dynamique fait l’objet de la thèse de Patrick Cañadas dans la continuité de son travail en DEA National de Biomécanique de l’Université Paris 12.

    A terme, il est envisagé la détermination et la généralisation du comportement mécanique dynamique de structures de tenségrité plus complexes afin de s’approcher plus précisément des conditions biologiques et de prédire le comportement mécanique associé à la physiologie des cellules vivantes lors des processus biologiques.

Publications récentes

  1. S. WENDLING, E. PLANUS, V. LAURENT, L. BARBE, A. MARY, C. ODDOU, D. ISABEY. Role of cellular tone and microenvironmental conditions on cytoskeleton stiffness assessed by tensegrity model. A paraître dans The European Physical Journal, Applied Physics
  2.  S. WENDLING, C. ODDOU, D. ISABEY. Approche structurale de la mécanique du cytosquelette : Solide alvéolaire vs modèle de tenségrité. A paraître dans le C.R. de l’Académie des Sciences de Paris, Biomécanique (Série IIb).
  3.  S. WENDLING, C. ODDOU, D. ISABEY. Stiffening response of a cellular tensegrity model. Journal of Theoretical Biology, (1999), vol. 196, pp 309-325
  4. S. WENDLING, E. PLANUS, D. ISABEY, C. ODDOU. Scale effects, anisotropy and non-linearity of tensegrity structures : applications to cell mechanical behavior. Dynamical Networks in Physics and Biology (1998), Eds. D. Beysens and G. Forgacs, EDP Sciences ISBN 2-86883-382-9, Springer-Verlag ISBN 3-540-65349-X, Issue 10.

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