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Les chercheurs découvrent la cause mécanique pour l'extrusion de cellules

Les limites extérieures ou intérieures d'organes au corps humain sont garnies de soi-disant feuilles épithéliales. Ce sont des couches de cellules épithéliales qui peuvent individuellement changer leur forme 3D -- ce qui est ce qui se produit pendant des procédés biologiques comme le développement d'organe (morphogénèse), l'équilibre physiologique (homeostatis) ou la formation de cancer (carcinogenèse). D'intérêt particulier est le procédé de l'extrusion de cellules, où une cellule détruit sa surface de « dessus » ou de « bas » et est par la suite éliminée de la couche. Une compréhension complète de ce phénomène d'un point de vue mécanique avait manqué, mais maintenant, Satoru Okuda et Koichi Fujimoto d'université de Kanazawa ont découvert qu'il y a une cause purement mécanique pour l'extrusion de cellules.

Mécaniquement parlant, une feuille épithéliale (à une seule couche) simple est analogue à une mousse, et peut être représentée comme couche de polyèdres interconnectés. Okuda et Fujimoto ont employé un tel modèle de mousse pour décrire une couche unitaire des cellules épithéliales, avec chaque cellule un polyèdre avec le volume moyen V. Chaque cellule est encore caractérisée par le numéro des cellules voisines n, de l'endroit de l'apical ("haut ") et de l'endroit de la surface ("inférieure ") basique. Le modèle, tenant compte des forces mécaniques entre les cellules voisines, mène à une formule pour toute l'énergie mécanique d'une feuille épithéliale en fonction seulement de quelques paramètres, y compris V et n, ainsi que la densité de dans-avion et une netteté appelée de quantité, qui peuvent distinguer les situations où les surfaces basiques et/ou apicales sont présentes ou pas. (La surface apicale disparue par A implique l'extrusion basique et vice versa.) En étudiant comment l'énergie change en variant ces quelques paramètres, les chercheurs pouvaient obtenir des analyses précieuses dans les mécanismes d'une feuille épithéliale.

La recherche de clés d'Okuda et de Fujimoto est que le système montre une instabilité mécanique inhérente : les petits changements dans la topologie de cellules ou la densité de cellules peuvent entraîner l'extrusion de cellules sans forces complémentaires étant appliquées. En outre, elle s'avère qu'une cellule subissant l'extrusion produit des forces dans la couche, qui peut diriger l'extrusion d'autres cellules vers l'un ou l'autre de côté de la couche.

Les scientifiques ont également trouvé beaucoup de conventions entre les résultats de leur modèle et les observations dans les systèmes vivants, tels que le cas des différentes géométries épithéliales (par exemple la « rosette » ou pseudostratified des structures).

Le modèle a évidemment des limitations, par exemple les suppositions que la feuille entière et les différentes surfaces de cellules ne sont pas courbées mais à plat. Cependant, cotant les chercheurs, « en dépit de ses limitations, [] le modèle fournit un guide de comprendre la large gamme de physiologie épithéliale qui se produit dans la morphogénèse, l'homéostasie, et la carcinogenèse ».

[Mouvement propre]

Cellules épithéliales

Le tissu épithélial, un de quatre genres (ou animal) de tissu humain, est situé sur les surfaces extérieures des organes et des vaisseaux sanguins au corps humain, et sur les faces internes « des espaces creux » dans organes internes variés. Un cas particulier est la couche extérieure de la peau, appelée l'épiderme. Le tissu épithélial se compose des cellules épithéliales ; il peut être juste une couche de cellules épithéliales (épithélium simple), ou deux ou plus (épithélium posé ou stratifié). Satoru Okuda et Koichi Fujimoto d'université de Kanazawa ont maintenant modélisé un épithélium simple comme un agencement des polyèdres afin d'étudier ses propriétés mécaniques et particulièrement le procédé de l'extrusion de cellule épithéliale.

Extrusion de cellules

En tissu épithélial, les extrusions de cellules se produisent -- les procédés par lequel des cellules épithéliales « soient éliminées » de l'épithélium. L'extrusion de cellules est un procédé biologique important, réglant par exemple le démontage des cellules (mortes) d'apoptotique, l'accroissement de tissu et la réaction au cancer. Okuda et Fujimoto ont regardé un épithélium simple d'un point de vue mécanique. Modélisant l'épithélium comme couche de polyèdres interconnectés, ils ont trouvé cette extrusion de cellules -- par lequel le premier ou fond d'un polyèdre rétrécisse à une remarque et puis disparaît -- peut être considérée une propriété purement mécanique. Une instabilité inhérente, actuelle en feuilles homogènes, peut mener aux cellules étant due refoulé aux petits changements dans la densité ou la topologie.

Source:
Journal reference:

Okuda, S., et al. (2020) A Mechanical Instability in Planar Epithelial Monolayers Leads to Cell Extrusion. Biophysical Journal. doi.org/10.1016/j.bpj.2020.03.028.