Des simulations informatiques expliquent le mouvement cellulaire

Au microscope, un groupe de cellules avance lentement en ligne, comme un train sur les rails. Les cellules naviguent dans des environnements complexes. Une nouvelle approche menée par des chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) montre désormais comment ils procèdent et comment ils interagissent les uns avec les autres. Les observations expérimentales et le concept mathématique suivant sont publié dans Physique naturelle.

La majorité des cellules du corps humain ne peuvent pas bouger. Certains spécifiques peuvent cependant se rendre à des endroits différents. Par exemple, lors de la cicatrisation des plaies, les cellules se déplacent dans le corps pour réparer les tissus endommagés. Ils voyagent parfois seuls ou en groupes de tailles différentes.

Bien que ce processus soit de mieux en mieux compris, on sait peu de choses sur la manière dont les cellules interagissent lors d’un voyage et sur la manière dont elles naviguent collectivement dans les environnements complexes du corps. Une équipe interdisciplinaire composée de physiciens théoriciens de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) et d’expérimentateurs de l’Université de Mons en Belgique dispose désormais de nouvelles connaissances.

Tout comme les expériences de dynamique sociale, où il est plus facile de comprendre les interactions d’un petit groupe de personnes que d’analyser une société dans son ensemble, les scientifiques ont étudié le comportement de déplacement d’un petit groupe de cellules dans un environnement in vitro bien défini, c’est-à-dire en dehors d’un organisme vivant, dans une boîte de Pétri équipée d’éléments intérieurs. Sur la base de leurs découvertes, ils ont développé un cadre de règles d’interaction.

Les cellules voyagent dans les trains

David Brückner se précipite à son bureau pour récupérer son ordinateur portable. « Je pense qu’il est préférable de montrer quelques vidéos de nos expériences », dit-il en appuyant sur play.

La vidéo montre une boîte de Pétri. Des microrayures – des voies unidimensionnelles guidant le mouvement cellulaire – sont imprimées sur le substrat à côté d’une écaille de poisson zèbre composée de nombreuses cellules. Des cellules spéciales de cicatrisation, connues sous le nom de « kératocytes », commencent à s’éloigner de la squame, formant des branches dans les voies.

« Au début, les cellules se collent les unes aux autres grâce à des molécules adhésives à leur surface, c’est comme si elles se tenaient la main », explique Brückner. Soudain, le lien se rompt et les cellules se rassemblent en petits groupes, avançant comme des trains sur des rails.

« La longueur du train est toujours différente. Parfois c’est deux, parfois c’est dix. Cela dépend des conditions initiales. »

Eléonore Vercurysse et Sylvain Gabriele de l’Université de Mons en Belgique ont observé ce phénomène en étudiant les kératocytes et leurs caractéristiques de cicatrisation au sein de différents motifs géométriques. Pour les aider à interpréter ces observations déroutantes, ils ont contacté les physiciens théoriciens David Brückner et Edouard Hannezo de l’ISTA.

Les cellules ont des volants

« Il y a un gradient à l’intérieur de chaque cellule qui détermine où va la cellule. C’est ce qu’on appelle la » polarité « et c’est comme le volant de la cellule », explique Brückner. « Les cellules communiquent leur polarité aux cellules voisines, leur permettant ainsi de se déplacer de concert. » Mais la manière dont ils y parviennent reste un grand casse-tête dans le domaine.

Brückner et Hannezo ont commencé à réfléchir. Les deux scientifiques ont développé un modèle mathématique combinant la polarité d’une cellule, ses interactions et la géométrie de son environnement. Ils ont ensuite transféré le cadre dans des simulations informatiques, ce qui les a aidés à visualiser différents scénarios.

La première chose que les scientifiques autrichiens ont examinée a été la vitesse des trains de cellules. La simulation a révélé que la vitesse des trains est indépendante de leur longueur, qu’ils soient constitués de deux ou dix cellules.

« Imaginez si la première cellule faisait tout le travail, entraînant les autres derrière elle ; les performances globales diminueraient », explique Hannezo. « Mais ce n’est pas le cas. Dans les trains, toutes les cellules sont polarisées dans la même direction. Elles sont alignées et synchronisées dans leur mouvement et avancent en douceur. » En d’autres termes, les trains fonctionnent comme une transmission intégrale plutôt que comme une simple traction avant.

Dans une prochaine étape, les théoriciens ont examiné les effets de l’augmentation de la largeur des voies et des amas de cellules dans leurs simulations. Comparés aux cellules se déplaçant dans un seul fichier, les clusters étaient beaucoup plus lents. L’explication est assez simple : plus les cellules sont regroupées, plus elles se heurtent. Ces collisions les amènent à se polariser les uns par rapport aux autres et à se déplacer dans des directions opposées. Les cellules ne sont pas correctement alignées, ce qui perturbe la fluidité du mouvement et influence considérablement la vitesse globale. Ce phénomène a également été observé dans le laboratoire belge (expériences in vitro).

Impasse? Pas de problème pour les clusters de cellules

Du point de vue de l’efficacité, il semble que se déplacer en clusters ne soit pas idéal. Cependant, le modèle prédit que cela présente également des avantages lorsque les cellules se déplacent sur un terrain complexe, comme c’est le cas par exemple dans le corps humain. Pour tester cela, les scientifiques ont ajouté une impasse, tant dans les expériences que dans les simulations.

« Les trains de cellules arrivent rapidement à l’impasse, mais ont du mal à changer de direction. Leur polarisation est bien alignée et il leur est très difficile de se mettre d’accord sur un changement de direction », explique Brückner. « Alors que dans le cluster, un certain nombre de cellules sont déjà polarisées dans l’autre sens, ce qui facilite grandement le changement de direction. »

Trains ou clusters ?

Naturellement, la question se pose : quand les cellules se déplacent-elles en grappes, et quand se déplacent-elles en trains ? La réponse est que les deux scénarios sont observés dans la nature. Par exemple, certains processus de développement reposent sur des groupes de cellules se déplaçant d’un côté à l’autre, tandis que d’autres dépendent de petits trains de cellules se déplaçant indépendamment.

« Notre modèle ne s’applique pas uniquement à un seul processus. Il s’agit plutôt d’un cadre largement applicable montrant que placer des cellules dans un environnement soumis à des contraintes géométriques est très instructif, car il les met au défi et nous permet de déchiffrer leurs interactions les unes avec les autres »,  » ajoute Hannezo.

Un petit train rempli d’informations

Des publications récentes du groupe Hannezo suggèrent que la communication cellulaire se propage par vagues, une interaction entre les signaux biochimiques, le comportement physique et le mouvement. Le nouveau modèle des scientifiques fournit désormais une base physique pour ces interactions de cellule à cellule, aidant éventuellement à comprendre la situation dans son ensemble.

Sur la base de ce cadre, les collaborateurs peuvent approfondir les acteurs moléculaires impliqués dans ce processus. Selon Brückner, les comportements révélés par ces petits trains de cellules peuvent nous aider à comprendre les mouvements à grande échelle, tels que ceux observés dans des tissus entiers.

Afin de mieux comprendre les processus fondamentaux, par exemple dans les domaines des neurosciences, de l’immunologie ou de la génétique, l’utilisation d’animaux en recherche est indispensable. Aucune autre méthode, telle que les modèles in silico, ne peut constituer une alternative. Les animaux sont élevés, gardés et traités selon les réglementations strictes des pays respectifs où la recherche est menée.