Optical and mechanical analysis on a biological cell in optical tweezers

La réponse mécanique d’une cellule à une force externe permet d’inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s’avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule.

Évaluation de l’impact de pansements biologiques humains produits par génie tissulaire sur la guérison de plaies cutanées murines

L’étude de la guérison des plaies à l’aide de substituts produits par génie tissulaire est un domaine en plein essor. Dans ces travaux, les effets de pansements biologiques produits en laboratoire à partir de cellules souches/stromales du tissu adipeux (CSTA) différenciées ou non en adipocytes ont été évalués sur des plaies cutanées in vivo. Un modèle de souris possédant un épiderme fluorescent a permis de démontrer que les plaies traitées avec les pansements biologiques guérissent plus rapidement que les plaies non traitées, et ce, de manière indépendante de la réépithélialisation. Une augmentation de la formation du tissu de granulation et une angiogenèse accrue ont également été observées dans les groupes traités. Ces résultats établissent que les substituts contenant des CSTA ou des adipocytes fonctionnels favorisent la réparation tissulaire. À terme, ces travaux pourraient mener au développement de nouvelles indications cliniques pour le traitement des ulcères cutanés.