Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Depuis des décennies, les scientifiques savent que les cellules vivantes sont sensibles à la dureté du sol sous elles. Tout comme une personne pourrait marcher différemment sur une route pavée par rapport à un champ boueux, les cellules changent de forme, de mouvement et de structure interne selon qu'elles reposent sur une surface rigide ou une surface molle. Cette capacité à ressentir et à réagir à la rigidité mécanique est appelée mécanosensibilité. Il s'agit d'un processus fondamental qui aide les cellules à décider si elles doivent croître, se diviser ou se déplacer, et cela joue un rôle critique dans la formation des tissus et dans la façon dont des maladies comme le cancer se propagent. Pour étudier cela, les chercheurs cultivent généralement des cellules sur des surfaces artificielles qui imitent l'environnement naturel du corps. Deux des matériaux les plus courants utilisés pour ces surfaces sont les hydrogels, qui sont des gels riches en eau similaires aux tissus à l'intérieur de notre corps, et les élastomères, qui sont des plastiques semblables au caoutchouc.

Cependant, un casse-tête de longue date persiste en laboratoire : les cellules se comportent différemment sur ces deux matériaux même lorsqu'ils sont fabriqués pour avoir la même rigidité mesurée. Sur une surface de caoutchouc souple, les cellules agissent souvent comme si le matériau était beaucoup plus rigide qu'il ne l'est réellement, refusant de s'étaler comme elles le feraient sur un gel mou. Pendant des années, les scientifiques ont soupçonné que des facteurs tels que la rugosité de la surface, la porosité ou les propriétés hydrophobes en étaient la cause. Mais la véritable raison de cette divergence est restée cachée, laissant un vide dans notre compréhension de la manière dont les cellules perçoivent réellement leur monde.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tübingen a maintenant découvert la pièce manquante du puzzle. Ils ont découvert que les surfaces caoutchouteuses utilisées dans ces expériences possèdent une propriété physique cachée appelée tension d'interface. Il s'agit d'une force qui agit le long du bord même où le matériau solide rencontre l'environnement liquide, similaire à la tension que l'on ressent à la surface d'une goutte d'eau. Les chercheurs ont découvert que sur les substrats de caoutchouc souple, cette tension d'interface est étonnamment forte, variant de 10 à 20 millinewtons par mètre. Cette force est si significative qu'elle rigidifie efficacement la surface du point de vue de la cellule. Lorsqu'une cellule essaie de pousser contre une surface de caoutchouc souple, elle rencontre non seulement la mollesse du caoutchouc lui-même, mais aussi cette résistance supplémentaire provenant de la tension d'interface. Le résultat est que la cellule perçoit une surface beaucoup plus dure que le caoutchouc ne l'est réellement.

Pour révéler cette force invisible, l'équipe a utilisé un outil d'imagerie spécialisé appelé microscopie à conductance ionique à balayage. Contrairement aux microscopes traditionnels qui pourraient appuyer sur un échantillon et l'écraser, cette technique plane juste au-dessus de la surface, mesurant le flux d'électricité à travers une minuscule pointe en verre remplie de liquide. En sondant délicatement les surfaces de caoutchouc avec cette méthode, les chercheurs ont pu mesurer à quel point le matériau se déformait sous une force microscopique. Ils ont découvert que, bien que le caoutchouc paraisse mou lorsqu'il est mesuré avec des outils à grande échelle, il apparaissait remarquablement rigide sous la pointe minuscule du microscope. Cette divergence se produisait parce que la tension d'interface résistait à la déformation, faisant paraître le caoutchouc souple comme un matériau beaucoup plus dur.

Les chercheurs ont ensuite testé si le retrait de cette tension changerait le comportement des cellules. Ils ont traité les surfaces de caoutchouc avec une substance connue sous le nom d'émulsifiant, qui est conçue pour abaisser la tension superficielle. Après ce traitement, la tension d'interface a chuté de manière significative, tombant à environ 3 à 4 millinewtons par mètre. Lorsqu'ils ont cultivé des cellules sur ces surfaces traitées, le comportement a changé de manière spectaculaire. Les cellules n'agissaient plus comme si la surface était rigide ; au contraire, elles s'étalaient et se comportaient exactement comme elles le feraient sur un hydrogel mou. Cela a confirmé que les cellules ne réagissaient pas à la dureté intrinsèque du caoutchouc, mais plutôt à l'effet combiné de cette dureté et de la tension d'interface.

En combinant ces observations, l'équipe a développé un modèle physique simple pour expliquer le phénomène. Ils ont déterminé que les cellules perçoivent une « rigidité effective » qui est la somme de la dureté réelle du matériau et d'une valeur dérivée de la tension d'interface. Cette relation dépend d'une échelle de longueur spécifique, que les chercheurs ont calculée à environ 3 micromètres. Cette taille correspond approximativement à l'échelle des minuscules ancres que les cellules utilisent pour s'agripper aux surfaces. Le modèle suggère que chaque fois qu'une cellule interagit avec un matériau mou, elle ressent essentiellement une combinaison de la rigidité globale du matériau et de la tension à sa surface.

Cette découverte redéfinit la manière dont les scientifiques doivent interpréter les expériences impliquant des matériaux mous. Elle explique pourquoi les cellules sur les substrats de caoutchouc se sont historiquement comportées différemment de celles sur les hydrogels, même lorsque les matériaux étaient destinés à avoir la même rigidité. L'étude montre que la tension d'interface est un facteur crucial, bien que souvent négligé, en mécanobiologie. Pour les chercheurs, cela signifie que faire correspondre simplement la rigidité d'un matériau ne suffit pas ; ils doivent également tenir compte de la tension à la surface. En comprenant et en contrôlant cette propriété, les scientifiques peuvent créer des modèles plus précis du corps humain, menant à de meilleures perspectives sur le fonctionnement des cellules en santé et en maladie. Ce travail souligne que le monde physique que les cellules habitent est plus complexe qu'une simple mesure de dureté, impliquant un équilibre délicat de forces qui dictent la vie au niveau microscopique.