En mécano-biologie, les forces des cellules ont été considérées comme fondamentales pour leur fonction améliorée, y compris la migration rapide. Un groupe de chercheurs de l'École d'ingénierie McKelvey de l'Université de Washington à St. Louis a découvert que les cellules peuvent générer et utiliser moins de force tout en se déplaçant plus vite que celles qui génèrent et utilisent des forces élevées, remettant en question des hypothèses longtemps tenues sur la mécanique cellulaire.
Le laboratoire d'Amit Pathak, professeur de génie mécanique et de science des matériaux, a découvert que des groupes de cellules se déplaçaient plus vite avec moins de force lorsqu'ils étaient adhérés à des surfaces douces avec des fibres de collagène alignées. Traditionnellement, on pensait que les cellules devaient continuellement générer des forces pour surmonter la friction et la traînée dans leur environnement. Cependant, cette exigence conventionnelle de forces peut être réduite dans des conditions favorables, telles que des fibres alignées. Leurs résultats, publiés dans PLOS Computational Biology le 9 janvier 2025, représentent la première démonstration de ce phénomène dans la migration cellulaire collective.
Pathak et les membres de son laboratoire ont suivi le mouvement des cellules épithéliales mammaires humaines pendant des années, établissant que les cellules migrent plus vite sur des surfaces dures et rigides par rapport aux surfaces douces, où elles tendent à rester immobilisées. Les implications de cette recherche s'étendent à la métastase du cancer et à la cicatrisation des plaies.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont constaté que les cellules migraient plus de 50 % plus vite sur des fibres de collagène alignées que sur des fibres aléatoires. De plus, ils ont observé que les cellules utilisaient les fibres alignées comme repères directionnels pour guider leur migration vers l'expansion de leur groupe.
« Nous nous sommes demandé si vous appliquez une force, et qu'il n'y a pas de friction, les cellules peuvent-elles continuer à aller vite sans générer plus de force ? » a déclaré Pathak. « Nous avons réalisé que cela dépend probablement de l'environnement. Nous pensions qu'elles seraient plus rapides sur des fibres alignées, comme des voies ferrées, mais ce qui était surprenant, c'est qu'elles généraient en fait moins de forces tout en allant plus vite. »
Amrit Bagchi, qui a obtenu un doctorat en génie mécanique de McKelvey Engineering en 2022 dans le laboratoire de Pathak et est maintenant chercheur postdoctoral au Centre pour l'ingénierie mécano-biologique à l'Université de Pennsylvanie, a joué un rôle crucial dans la mise en place de la recherche. Bagchi a créé un hydrogel doux dans le laboratoire de Marcus Foston, professeur associé d'énergie, d'environnement et d'ingénierie chimique, pendant plusieurs mois durant la pandémie de COVID-19. Il a ensuite aligné les fibres à l'aide d'un aimant spécial à l'École de Médecine avant de placer les cellules dessus pour suivre leur mouvement.
Bagchi a développé un modèle de moteur-embrayage multicouche où les mécanismes générateurs de force dans les cellules agissent comme le moteur, et l'embrayage fournit la traction. Ce modèle a été adapté pour les cellules collectives, incorporant trois couches : une pour les cellules, une pour les fibres de collagène et une pour le gel personnalisé en dessous, permettant une intercommunication.
« Bien que les résultats expérimentaux nous aient d'abord surpris, ils ont incité le développement d'un modèle théorique pour expliquer la physique derrière ce comportement contre-intuitif », a déclaré Bagchi. « Au fil du temps, nous avons compris que les cellules utilisent des fibres alignées comme un proxy pour ressentir des forces de friction d'une manière qui diffère considérablement de la condition des fibres aléatoires. Le concept de mécanosensation et de transmission de matrice de notre modèle prédit également d'autres comportements de migration collective bien connus, tels que l'haptotaxie et la durotaxie, fournissant un cadre unifié pour que les scientifiques explorent et potentiellement étendent à d'autres phénotypes de migration cellulaire intéressants. »