En physique des matériaux, comprendre comment les systèmes interagissent à travers les interfaces qui les séparent est d'un intérêt central. Mais les modèles physiques peuvent-ils clarifier des concepts similaires dans les systèmes vivants, comme des cellules ? Physiciens à l'Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Université de Zurich (UZH), ont utilisé le cadre des systèmes élastiques désordonnés pour étudier le processus de cicatrisation des plaies, la prolifération des fronts cellulaires qui finissent par se rejoindre pour fermer une lésion. Leur étude a identifié les échelles des interactions dominantes entre cellules qui déterminent ce processus. Les résultats, publié dans la revue Rapports scientifiques , permettra une meilleure analyse du comportement du front cellulaire, en termes de cicatrisation et de développement tumoral. À l'avenir, cette approche peut proposer des diagnostics personnalisés pour classer les cancers et mieux cibler leur traitement, et identifier de nouvelles cibles pharmacologiques pour la transplantation.

En se concentrant sur les propriétés macroscopiques des grands ensembles de données, la physique statistique permet d'extraire une vue d'ensemble du comportement du système indépendamment de sa spécificité microscopique. Appliqué aux éléments biologiques, tels que les fronts cellulaires bordant une plaie, cette approche permet d'identifier les différentes interactions qui jouent un rôle déterminant lors de la croissance tissulaire, différenciation, et la guérison, mais surtout de mettre en évidence leur hiérarchie aux différentes échelles observées. Patrycja Paruch, professeur au Département de physique de la matière quantique à la Faculté des sciences de l'UNIGE, explique : « Pour l'invasion des tumeurs cancéreuses, ou en cas de blessure, la prolifération du front cellulaire est cruciale, mais la vitesse et la morphologie du front sont très variables. Cependant, nous pensons que seules quelques interactions dominantes au cours de ce processus définiront la dynamique et la forme - lisse ou rugueuse, par exemple, du bord de la colonie cellulaire. Des observations expérimentales sur plusieurs échelles de longueur pour extraire des comportements généraux peuvent nous permettre d'identifier ces interactions dans les tissus sains et de diagnostiquer à quel niveau des changements pathologiques peuvent se produire, pour aider à les combattre. C'est là qu'intervient la physique statistique."

Les nombreuses échelles de cicatrisation

Dans cette étude multidisciplinaire, les physiciens de l'UNIGE ont collaboré avec l'équipe du professeur Steven Brown de l'UZH. En utilisant des cellules épithéliales de rat, ils ont établi des colonies plates (2D) dans lesquelles les cellules se développent autour d'un insert en silicone, ensuite retiré pour imiter une lésion ouverte. Les fronts cellulaires prolifèrent alors pour remplir l'ouverture et cicatriser le tissu. "Nous avons reproduit cinq scénarios possibles en 'handicapant' les cellules de différentes manières, afin de voir quel impact cela a sur la cicatrisation des plaies, c'est-à-dire sur la vitesse et la rugosité du front de cellule, " explique Guillaume Rapin, chercheur dans l'équipe de Patrycja Paruch. L'idée est de voir ce qui se passe dans les tissus sains normaux, ou lorsque des processus tels que la division cellulaire et la communication entre cellules voisines sont inhibés, lorsque la mobilité cellulaire est réduite ou lorsque les cellules sont stimulées pharmacologiquement en permanence. "Nous avons pris quelque 300 images toutes les quatre heures pendant environ 80 heures, qui nous a permis d'observer les fronts cellulaires proliférants à des échelles très différentes, " poursuit Guillaume Rapin. " En appliquant des techniques de calcul performantes, nous avons pu comparer nos observations expérimentales avec les résultats de simulations numériques, " ajoute Nirvana Caballero, un autre chercheur de l'équipe de Patrycja Paruch.

Zoom arrière pour plus d'effet

Les scientifiques ont observé deux régimes de rugosité distincts :à moins de 15 micromètres, en dessous de la taille d'une seule cellule, et entre 80 et 200 micromètres, lorsque plusieurs cellules sont impliquées. "Nous avons analysé comment l'exposant de rugosité évolue au cours du temps pour atteindre son équilibre dynamique naturel, en fonction des conditions pharmacochimiques que nous avons imposées aux cellules, et comment cette rugosité augmente en fonction de l'échelle à laquelle on regarde, " souligne Nirvana Caballero. " Dans un système avec une seule interaction dominante, nous nous attendons à voir le même exposant de rugosité à toutes les échelles. Ici, nous voyons une rugosité changeante si nous regardons l'échelle d'une cellule ou de 10 cellules."

Les équipes de Genève et de Zurich n'ont révélé que des variations mineures de l'exposant de rugosité en dessous de 15 micromètres, quelles que soient les conditions imposées aux fronts cellulaires. D'autre part, ils ont trouvé qu'entre 80 et 150 micromètres, la rugosité est altérée par tous les inhibiteurs pharmacologiques, réduisant considérablement l'exposant de rugosité. De plus, ils ont observé que la vitesse de prolifération variait considérablement entre les différentes conditions pharmacochimiques, ralentissement lorsque la division cellulaire et la motilité sont inhibées, et s'accélérant lorsque les cellules sont stimulées. "Plus surprenant, la vitesse de prolifération la plus rapide a été atteinte lorsque la communication par jonction entre les cellules était bloquée, " précise Guillaume Rapin. Cette observation suggère qu'une telle communication peut être ciblée dans de futures thérapies, soit pour favoriser la cicatrisation des brûlures ou plaies, ou pour ralentir l'invasion des tumeurs cancéreuses.

Ces résultats montrent que les interactions à moyenne échelle jouent un rôle crucial dans la détermination de la prolifération saine d'un front cellulaire. « Nous savons maintenant à quelle échelle les biologistes doivent rechercher un comportement problématique des fronts cellulaires, qui peut conduire au développement de tumeurs, ", explique Nirvana Caballero. Désormais, les scientifiques pourront se concentrer sur ces échelles de longueur clés pour sonder les fronts des cellules tumorales, et comparer directement leurs interactions pathologiques avec celle des cellules saines.