Des cellules peuvent se déplacer plus rapidement en exerçant moins de force que prévu, remettant en question une hypothèse fondamentale de la biologie cellulaire. Une équipe de l’Université Washington de Saint-Louis a découvert ce phénomène surprenant en observant le comportement de cellules épithéliales mammaires humaines.
Les chercheurs ont constaté que des groupes de cellules se déplaçaient plus de 50 % plus vite sur des fibres de collagène alignées que sur des fibres disposées aléatoirement. Plus étonnant encore, cette accélération s’accompagnait d’une diminution de la force exercée par les cellules, contredisant l’idée reçue selon laquelle une migration rapide nécessite une force importante pour surmonter la friction et la résistance de l’environnement.
« Nous nous sommes demandé si, en l’absence de friction, les cellules pouvaient maintenir une vitesse élevée sans augmenter leur force », explique Amit Pathak, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’Université Washington de Saint-Louis. « Nous avons réalisé que cela dépendait probablement de l’environnement. Nous nous attendions à ce qu’elles soient plus rapides sur des fibres alignées, comme sur des voies ferrées, mais ce qui nous a surpris, c’est qu’elles généraient en réalité moins de force tout en allant plus vite. »
L’étude, publiée le 9 janvier dans PLOS Computational Biology, est la première à démontrer cette activité de migration cellulaire collective. Les chercheurs ont mis au point un hydrogel souple contenant des fibres de collagène, certaines alignées et d’autres disposées au hasard. En observant le mouvement des cellules sur ces surfaces, ils ont constaté que les fibres alignées servaient de repères directionnels, guidant la migration des cellules et réduisant le besoin de force.
Amrit Bagchi, doctorant en génie mécanique à l’Université Washington de Saint-Louis et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Pennsylvanie, a joué un rôle clé dans la réalisation de cette recherche. Il a développé un modèle mathématique sophistiqué, qu’il décrit comme un « moteur-embrayage à plusieurs niveaux », pour expliquer ce comportement inattendu. Selon ce modèle, les cellules utilisent les fibres alignées pour « ressentir » les forces de friction d’une manière différente de celle observée sur des fibres aléatoires.
« Bien que les résultats expérimentaux nous aient initialement surpris, ils ont stimulé le développement d’un modèle théorique pour expliquer la physique sous-jacente à ce comportement contre-intuitif », précise Amrit Bagchi. « Au fil du temps, nous avons compris que les cellules utilisent les fibres alignées comme substitut pour ressentir les forces de friction. »
Ces découvertes pourraient avoir des implications importantes pour la compréhension des métastases du cancer et de la cicatrisation des plaies, deux processus biologiques impliquant la migration cellulaire.