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Les physiciens explorent la migration mésenchymateuse grâce à des simulations cellulaires et à la modélisation mathématique

Lors de la migration mésenchymateuse, une cellule cancéreuse se déplace comme un gecko sur un mur.

Avant de choisir ce mode de déplacement, la cellule mesure la surface à laquelle elle peut adhérer, a expliqué le physicien Nadir Kaplan. Si la surface n’est pas trop rigide ou molle et que le chemin vers l’avant n’est pas trop étroit, la cellule ronde développera rapidement des saillies qui agiront comme des membres temporaires, faisant saillie vers l’avant et s’accrochant à la surface. La cellule se poussera alors vers l’avant et rétractera son dos et répétera le processus.

Ce mode de migration est l’une des façons dont les cellules cancéreuses naviguent dans les tissus pendant la métastase. Dans une étude publiée par revue biophysique, La boursière postdoctorale en physique Wenya Shu et Kaplan, professeure adjointe de physique au Collège des sciences, ont exploré la migration mésenchymateuse au moyen de simulations cellulaires et de modélisations mathématiques. Leur objectif : en savoir plus sur la façon dont les cellules cancéreuses mesurent la rigidité des tissus environnants et adaptent leurs mouvements de type gecko en réponse.

Le modèle et ses connaissances sur la migration mésenchymateuse sont une première étape pour apprendre comment les cellules cancéreuses migrent en général, a déclaré Shu. La migration cellulaire est complexe : les cellules utilisent plusieurs modes de migration, à la fois individuellement et en colonies. « C’est l’avantage de créer un modèle informatique ici », a-t-il déclaré. « Nous pouvons disséquer les effets de nombreux ingrédients en jeu. »

Les expériences montrent que lors de la migration mésenchymateuse, les cellules adaptent leur façon de naviguer dans les tissus en fonction de leur rigidité : elles sont attirées par les surfaces tissulaires ; ou substrats – ; Ils ne sont ni trop rigides ni trop mous. Les cellules ne peuvent pas se développer et attacher efficacement leurs saillies à des substrats trop rigides, et si les cellules s’accrochent à des tissus trop mous, elles finiront par le tirer vers leur corps, plutôt que de l’utiliser pour se propulser vers l’avant. Les simulations cellulaires de Shu et Kaplan ont soutenu ces résultats expérimentaux.

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Leurs simulations ont confirmé aux chercheurs que les cellules font la distinction entre les surfaces molles et rigides en les comparant aux propriétés physiques de leurs propres corps mous. Les propriétés matérielles du substrat affecteront les directions que prennent les cellules, ainsi que l’efficacité avec laquelle elles se déplacent.

Pour s’assurer que le modèle simule avec précision la migration des cellules cancéreuses, Kaplan et Shu ont incorporé non seulement la façon dont les cellules réagissent à la mécanique du substrat tissulaire, mais également la façon dont elles règlent leurs signaux biochimiques internes. Lors de la navigation dans les tissus, les cellules peuvent également répondre chimiquement aux sécrétions d’une source de nutrition dans le corps. Le modèle des chercheurs est le premier à simuler le développement de ces deux moteurs du mouvement cellulaire, a déclaré Shu.

Les chercheurs ont découvert que les cellules préfèrent se déplacer dans la direction déterminée par leur forte signalisation chimique interne, que le mouvement global soit efficace ou non. Mais sans signal chimique fort à suivre, ils se concentrent sur les propriétés du substrat.

En rassemblant ces éléments de la migration mésenchymateuse et en les reproduisant dans un modèle, Kaplan voit des progrès vers une meilleure compréhension et identification de comment et où les métastases peuvent se produire.

Les métastases peuvent également impliquer plusieurs modes de migration cellulaire. La migration mésenchymateuse tend à être le mode initial de migration à travers les tissus et dans les vaisseaux, mais les cellules se tournent souvent vers la migration amiboïde. Alors que les cellules se déplacent comme des geckos dans le premier mode, dans le second, elles se déplacent davantage comme les chenilles d’un char. « Ils passent à autre chose », a déclaré Kaplan.

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La chimiothérapie fonctionne bien contre les cellules cancéreuses lors de la migration mésenchymateuse, a déclaré Kaplan, mais pas si bien lorsque les cellules passent à la migration amiboïde. Pour que les expérimentateurs comprennent cette transition, ils doivent d’abord mieux comprendre le mode mésenchymateux.

C’est vers cela que nous avons progressé ici », a déclaré Kaplan.

Ensuite, Shu et Kaplan espèrent utiliser le modèle pour examiner comment les interactions cellule-cellule peuvent affecter la migration, alors que les cellules individuelles se heurtent et déclenchent des changements dans leur direction. Ils veulent également apprendre comment les cellules négocient des canaux plus étroits et plus incurvés dans leur microenvironnement.

Chaque effort pour modéliser plus étroitement la migration cellulaire rapproche l’équipe de la compréhension de la façon dont les cellules cancéreuses envahissent le corps. « Nous voulons arriver à un modèle prédictif capable de produire de nouveaux types de comportements qualitatifs, d’expliquer d’autres mesures et de motiver de nouvelles expériences », a déclaré Kaplan.

« Les expériences sont assez complètes, mais elles bénéficient considérablement des simulations. Par exemple, lorsqu’il s’agit de résoudre de très petites échelles de temps dans la dynamique de ces déformations cellulaires. Fondamentalement, nous discernons tous ces composants », a-t-il déclaré.

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Virginie Tech

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