Quantifying cell shape and density fluctuations in epithelial tissue in vivo
Cette étude présente un cadre théorique modélisant les cellules épithéliales comme des ellipsoïdes mous en interaction afin de dériver des équations stochastiques continues qui, lorsqu'elles sont validées par rapport aux données de l'aile de la pupe de *Drosophila*, quantifient des paramètres critiques tels que la rigidité tissulaire effective et les changements de forme cellulaires actifs à travers des fonctions de corrélation spatio-temporelles.
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Les tissus vivants ne sont pas des briques statiques dans un mur ; ce sont des communautés dynamiques et respirantes où les cellules individuelles se déplacent, s'étirent et se compriment constamment les unes contre les autres. Pour comprendre comment un corps grandit ou guérit, les scientifiques doivent regarder au-delà de la forme moyenne d'une cellule et prêter attention aux minuscules et fugaces écarts par rapport à cette moyenne. Ces fluctuations, les oscillations et étirements momentanés des cellules individuelles, portent des informations cachées sur la santé mécanique du tissu, tout comme la façon dont le balancement d'une foule peut révéler la rigidité du sol sous leurs pieds. En mesurant ces mouvements subtils, les chercheurs peuvent déduire la « rigidité » effective d'un tissu et la manière dont ses cellules travaillent activement pour changer de forme, offrant ainsi une fenêtre non invasive sur les forces physiques qui dirigent le développement et la réparation.
Dans une étude axée sur l'aile en développement d'une mouche, des chercheurs ont élaboré un nouveau cadre théorique pour capturer ces dynamiques dans un tissu vivant. Ils ont choisi l'aile nymphale de la mouche Drosophila, une couche unique et plate de cellules qui s'étire et se remodèle à mesure que l'insecte mûrit. À l'aide de microscopes de haute puissance et d'une analyse d'image avancée, l'équipe a suivi les formes et les positions de plus d'un million de cellules individuelles sur une période de trois heures. Ils ont observé que, si les cellules s'allongeaient généralement dans une direction spécifique en raison de la tension du tissu environnant, chaque cellule présentait également ses propres fluctuations aléatoires de forme et de taille. Pour donner un sens à ce chaos, les scientifiques ont modélisé les cellules comme des ellipses molles et spongieuses qui interagissent avec leurs voisines, leur permettant de modifier leur surface, de s'étirer et de pivoter. En moyennant le comportement de ces millions de cellules, ils ont dérivé un ensemble d'équations décrivant comment les écarts locaux de forme et de densité se propagent à travers le tissu dans le temps et l'espace.
Les chercheurs ont ensuite comparé les prédictions de leur modèle mathématique aux données réelles collectées sur les ailes de mouches. Ils ont constaté que le modèle pouvait reproduire avec précision les motifs de corrélation des formes cellulaires entre elles sur différentes distances et intervalles de temps. Cela leur a permis d'extraire des valeurs numériques spécifiques représentant les propriétés physiques du tissu. Ils ont déterminé une valeur pour la « rigidité » effective du tissu, qui décrit sa résistance à la déformation, et une mesure du « changement de forme actif », qui quantifie la vigueur avec laquelle les cellules se remodèlent. L'étude a révélé que le tissu se comporte comme un matériau possédant une rigidité spécifique, mais aussi piloté par des forces internes actives générées par les cellules elles-mêmes. Le modèle a montré que le mouvement des cellules par rapport à leurs voisines était étonnamment faible, suggérant que le tissu maintient une structure cohérente et serrée tout en permettant le remodelage nécessaire au développement.
Pour tester si ce cadre pouvait détecter les changements de santé tissulaire, les scientifiques ont appliqué leur méthode à des ailes blessées. Ils ont créé de petites plaies circulaires dans le tissu et ont observé la fermeture de l'écart par les cellules. Une fois les plaies refermées, ils ont mesuré à nouveau les propriétés du tissu. Ils ont découvert que le tissu près de la plaie cicatrisée était devenu plus mou, avec une rigidité effective plus faible, ce qui a probablement facilité la déformation des cellules pour fermer la blessure. Plus important encore, ils ont observé une augmentation significative du taux de changements de forme actifs près de la plaie, indiquant que les cellules travaillaient plus intensément pour se remodeler afin de faciliter la guérison. Cela contrastait nettement avec le comportement de mouches génétiquement modifiées où une voie de signalisation spécifique était bloquée. Chez ces mouches modifiées, les cellules ne parvenaient pas à augmenter leurs changements de forme actifs après la blessure, et le tissu restait mou plus longtemps. Ce manque de remodelage actif était corrélé au retard de cicatrisation observé chez ces mouches, confirmant que le modèle pouvait distinguer la mollesse mécanique passive de l'effort biologique actif requis pour la réparation.
L'étude démontre qu'en écoutant les fluctuations silencieuses des cellules, les scientifiques peuvent quantifier l'état mécanique d'un tissu vivant sans le perturber. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient séparer les propriétés structurelles passives du tissu des comportements actifs et énergétiques des cellules. Cette approche offre un outil puissant pour comprendre comment les tissus répondent à une blessure ou à des changements génétiques, offrant un moyen de mesurer la « rigidité » et l'« activité » d'un tissu en temps réel. La capacité de distinguer un tissu qui est simplement mou d'un tissu qui tente activement de changer de forme pourrait aider les chercheurs à comprendre les mécanismes physiques derrière des processus biologiques complexes, de la formation des organes à la réponse du corps face à une blessure.
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