Décryptage

La mécanobiologie, la nouvelle discipline qui bouleverse la recherche scientifique


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Co-leader du groupe de recherche Adhésion Cellulaire & Mécanique au sein de l’Institut Jacques Monod, le Professeur Benoît Ladoux et ses équipes explorent depuis plusieurs années le territoire encore peu connu de la mécanobiologie. Sa vision sur les mécanismes à l’œuvre et les enjeux liés à cette discipline.

La mécanobiologie, une science qui met les cellules sous pression

 

Peu investie par la recherche scientifique au XXème siècle, la mécanobiologie – la science qui étudie l’influence des forces mécaniques sur les tissus biologiques – est en plein essor depuis trente ans. « Pendant longtemps, l’accent a été mis sur les processus biochimiques mais le rôle de la mécanique a longuement été sous-estimé dans la formation des cellules », commence le Professeur Benoît Ladoux. Les tout premiers travaux sur la question remontent au début du XXème siècle avec la parution en 1917 de « On Growth and Form » du biologiste écossais D’Arcy Thompson. « C’est l’un des premiers à s’être intéressé aux processus de développement des plantes, des animaux et plus spécifiquement aux effets de tensions physiques sur les cellules ». C’est à partir des années 1980 sous l’influence de travaux pionniers que la recherche en mécanobiologie s’accélère. « Les nouvelles techniques scientifiques ont permis d’observer que les forces mécaniques exercées sur les cellules et leur environnement influencent leur formation, comment elles migrent, comment elles interagissent et comment elles adhèrent entre elles. »

Anciennement chercheur au sein du Laboratoire Matière et Systèmes Complexes de l’Université Paris Diderot, le Professeur Benoît Ladoux a fait ses armes à la tête d’une équipe travaillant en physique, en biologie et en ingénierie. Aujourd’hui, il met ses connaissances interdisciplinaires au service de l’Institut Jacques Monod pour étudier la mécanobiologie. « Avec le groupe de recherche Adhésion Cellulaire & Mécanique nous cherchons à comprendre comment fonctionne l’environnement mécanique, sa géométrie, sa rigidité, et les forces exercées par et sur les cellules. Nous observons notamment le comportement des cellules épithéliales qui recouvrent la surface externe ou interne des organes : étroitement serrées les unes aux autres, elles interagissent largement entre elles par l’intermédiaire de molécules d’adhésion cellulaire. »

Comment les signaux mécaniques influencent le développement biologique des tissus et des organes

 

L’un des principes clés étudié est celui de mécanotransduction : les cellules intègrent les signaux mécaniques qui leur sont envoyés et le convertissent en signal biochimique. « C’est un processus qui intègre toutes les échelles : du moléculaire jusqu’au développement des tissus et des organes en passant par la cellule. »

A l’échelle de la biologie cellulaire, on observe que les interactions des cellules entre elles ou avec la matrice qui les entoure sont influencées par les sollicitations mécaniques de l’environnement. En cultivant les cellules sur des substrats de rigidité variable, les équipes de l’Institut Jacques Monod ont constaté que l’adhésion des cellules entre elles varie. « Placé sur un substrat trop mou, elles patinent et peinent à s’agripper ce qui désorganise leur structure interne. A l’inverse, placées sur un substrat plus rigide, leur adhésion est renforcée. Ces changements d’environnement les conduisent à adapter leur architecture interne comme leur cytosquelette de façon à prendre appui et à exercer des forces adéquates ».

Les répercussions sont visibles à l’échelle de la morphogenèse, le processus qui donne sa forme à un organisme : « le lien qui unit les cellules entre elles explique une partie des propriétés d’un tissu et d’un organisme. Les signaux mécaniques qui modifient la formation et l’adhérence des cellules influencent donc le développement de la structure des tissus. Un enjeu est aujourd’hui de comprendre comment les contraintes mécaniques externes se propagent à travers le cytoplasme jusqu’au noyau cellulaire pour activer un programme génétique approprié. » De récents travaux démontrent notamment que les forces mécaniques guident le développement embryonnaire de certains organismes. « En 2011, l’équipe de Michel Labouesse a montré que les contractions des cellules musculaires du ver nématode C. Elegans – un petit ver transparent et indépendant d’un millimètre environ – sont transmises à ses cellules épithéliales permettant ainsi son allongement. C’est la preuve que la mécanobiologie a un impact sur le développement des organismes. »

Cicatrisation, lutte contre le cancer… La mécanobiologie offre un renouveau spectaculaire à la recherche  

 

Ainsi, après six ans de recherche, la mécanobiologie bouleverse de nombreux domaines de recherche, notamment le phénomène de la cicatrisation et la lutte contre le cancer.

En matière de cicatrisation, la mécanobiologie permet de faciliter et d’accélérer la fermeture des plaies chroniques ou graves. « Nos travaux au Mechanobiology Institute de Singapour ont pu montrer par exemple que si la matrice sous-jacente est accidentée – perturbant l’adhésion des cellules à leur environnement – des forces de contraction du cordon cellulaire entourant cette zone endommagée permettent de former une couche de cellules en suspension au-dessus de la plaie et de fermer ainsi cette blessure. »

En matière de lutte contre cancer, notamment dans les tumeurs d’origine épithéliale, les cellules réagissent aux forces et aux changements mécaniques de l’environnement, comme sa rigidification, pour communiquer et modifier leur cohésion. « Comprendre ces modifications s’avère crucial pour étudier l’invasion des cellules tumorales et combattre ainsi certaines tumeurs. »

Comprendre les échanges entre les cellules et les forces mécaniques : un enjeu majeur

 

« La mécanobiologie ouvre autant de voies pour la recherche qu’elle pose de défis à relever ». L’un d’entre eux est majeur aux yeux du Professeur Benoît Ladoux : « Comprendre comment les contraintes mécaniques se propagent du milieu environnant jusqu’au noyau des cellules. Les signaux mécaniques ne suivent pas un chemin unidirectionnel de l’extérieur vers l’intérieur car les cellules réagissent et répondent à ces signaux : il y a donc des échanges dans les deux sens. Mieux comprendre ces couplages entre physique et biologie est indispensable pour continuer dans ce nouveau domaine de recherche. »

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