Les chercheurs ont développé un modèle théorique pour comprendre la communication et le mouvement cellulaires. Leurs dernières découvertes pourraient avoir des implications significatives sur la cicatrisation des plaies, les premières simulations informatiques étant prometteuses pour améliorer le flux d’informations afin d’accélérer la cicatrisation. applications pour la cicatrisation des plaies.
La physique de la communication cellulaire : les scientifiques de l’ISTA modélisent avec succès la dynamique cellulaire.
Comme nous, les cellules communiquent. Eh bien, à leur manière. Utilisant les ondes comme langage commun, les cellules se disent où et quand se déplacer. Ils parlent, partagent des informations et travaillent ensemble, à l’instar de l’équipe interdisciplinaire de chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) et de l’Université nationale de Singapour (NUS). Ils ont mené des recherches sur la manière dont les cellules communiquent – et sur l’importance de cela pour de futurs projets, par exemple l’application à la cicatrisation des plaies.
La biologie peut évoquer des images d’animaux, de plantes ou même des modèles informatiques théoriques. Cette dernière association ne vient peut-être pas immédiatement à l’esprit, mais elle est cruciale dans la recherche biologique. Des phénomènes biologiques complexes, même dans les moindres détails, peuvent être compris grâce à des calculs précis. Le professeur Edouard Hannezo de l’ISTA utilise ces calculs pour comprendre les principes physiques des systèmes biologiques. Les travaux récents de son équipe apportent de nouvelles connaissances sur la façon dont les cellules se déplacent et communiquent au sein des tissus vivants.
Une magnifique palette de couleurs. Il montre l’activation d’une voie de signalisation chimique (voie ERK ; en haut à droite) fusionnée avec une simulation de zones cellulaires 2D (en bas à gauche) dans une monocouche de cellules. Crédit : © Groupe Hannezo/ISTA
Mouvement cellulaire et communication : un modèle théorique
Au cours de son doctorat, Daniel Boocock, avec Hannezo et son collaborateur de longue date Tsuyoshi Hirashima de l’Université nationale de Singapour, ont développé un nouveau modèle théorique détaillé. Publié le 20 juillet dans la revue PRX Vie, ce modèle améliore notre compréhension de la communication cellule-cellule à longue portée. Il délimite les forces mécaniques complexes exercées par les cellules et leur activité biochimique.
Le côté physique de la biologie. Le professeur Edouard Hannezo (à gauche) et le récent diplômé de l’ISTA Daniel Boocock (à droite) utilisent la physique théorique pour comprendre la complexité biologique. Crédit : (c) ISTA
Les cellules communiquent par vagues
« Disons que vous avez une boîte de Pétri recouverte de cellules, une monocouche. Ils semblent simplement assis là. Mais la vérité est qu’ils bougent, tourbillonnent et adoptent spontanément des comportements chaotiques », explique Hannezo.
Semblable à une foule dense lors d’un concert, si une cellule tire d’un côté, une autre cellule détecte l’action et peut réagir soit en allant dans la même direction, soit en tirant dans la direction opposée. Les informations peuvent alors se propager et voyager sous forme d’ondes, visibles au microscope.
« Les cellules détectent non seulement les forces mécaniques, mais également leur environnement chimique : les forces et les signaux biochimiques que les cellules exercent les unes sur les autres », poursuit Hannezo. « Leur communication est une interaction d’activité biochimique, de comportement physique et de mouvement ; cependant, l’étendue de chaque mode de communication et la manière dont ces interactions mécanochimiques fonctionnent dans les tissus vivants étaient jusqu’à présent insaisissables.
Daniel Boocock, diplômé de l’ISTA, au campus de l’ISTA. Crédit : (c) ISTA
Prédire les schémas de mouvement
Inspirés par les modèles d’ondes visibles, les scientifiques avaient pour objectif de créer un modèle théorique qui validerait leurs théories antérieures sur le mouvement cellulaire. Daniel Boocock précise : « Dans nos travaux antérieurs, nous voulions découvrir l’origine biophysique des ondes et si elles jouent un rôle dans l’organisation de la migration cellulaire collective. Cependant, nous n’avions pas pris en compte la transition liquide-solide du tissu, le bruit inhérent au système ou la structure détaillée des ondes en 2D.
Leur dernier modèle informatique prête attention à la motilité cellulaire et aux propriétés matérielles des tissus. Grâce à lui, Boocock et Hannezo ont découvert comment les cellules communiquent mécaniquement et chimiquement et comment elles se déplacent. Ils ont pu reproduire les phénomènes observés dans les boîtes de Pétri, vérifiant ainsi une explication théorique de la communication cellulaire basée sur des lois physiques.
Professeur ISTA Edouard Hannezo au campus ISTA. Il dirige le groupe de recherche sur les principes physiques des systèmes biologiques. Crédit : (c) ISTA
Tester la théorie
Pour preuve expérimentale, Boocock et Hannezo ont collaboré avec le biophysicien Tsuyoshi Hirashima. Pour tester rigoureusement si le nouveau modèle est applicable à des systèmes biologiques réels, les scientifiques ont utilisé des monocouches 2D de cellules MDCK (cellules rénales spécifiques de mammifères) qui constituent un modèle in vitro classique pour de telles recherches.
« Si nous inhibions une voie de signalisation chimique qui permet aux cellules de détecter et de générer des forces, les cellules cesseraient de bouger et aucune onde de communication ne se propagerait », explique Hannezo. « Grâce à notre théorie, nous pouvons facilement modifier différents composants du système complexe et déterminer comment la dynamique des tissus s’adapte. »
Et après?
Le tissu cellulaire présente des propriétés similaires à celles des cristaux liquides : il s’écoule comme un liquide mais est organisé comme un cristal. Boocock ajoute : « En particulier, le comportement des tissus biologiques, semblable à celui des cristaux liquides, n’a été étudié qu’indépendamment des ondes mécanochimiques. » Une extension aux tissus 3D ou aux monocouches aux formes complexes, tout comme chez les organismes vivants, est une future piste d’investigation possible.
Les chercheurs ont également commencé à affiner le modèle pour les applications de cicatrisation des plaies. Là où les paramètres améliorent le flux d’informations, la guérison a été accélérée grâce aux simulations informatiques. Hannezo ajoute avec enthousiasme : « Ce qui est vraiment intéressant, c’est l’efficacité de notre modèle pour la cicatrisation des cellules des organismes vivants. »
