La migration cellulaire, ou la façon dont les cellules se déplacent dans l’organisme, est essentielle au fonctionnement normal du corps et à la progression des maladies. C’est le mouvement des cellules qui permet aux parties du corps de se développer au bon endroit au début du développement, aux blessures de guérir et aux tumeurs de devenir métastatiques.
Au cours du siècle dernier, la façon dont les chercheurs comprenaient la migration cellulaire se limitait aux effets des signaux biochimiques, ou chimiotaxie, qui dirigent une cellule pour qu’elle se déplace d’un endroit à un autre. Par exemple, un type de cellule immunitaire appelé neutrophile migre vers les zones du corps qui ont une concentration plus élevée d’une protéine appelée IL-8, qui augmente pendant une infection.
Au cours des deux ou trois dernières décennies, cependant, les scientifiques ont commencé à reconnaître l’importance des facteurs mécaniques, ou physiques, qui jouent un rôle dans la migration cellulaire. Par exemple, les cellules épithéliales mammaires humaines – les cellules qui tapissent les canaux de lait dans le sein – migrent vers des zones de plus en plus rigides lorsqu’elles sont placées sur une surface présentant un gradient de rigidité.
Et maintenant, au lieu de se concentrer uniquement sur l’effet de l’environnement “solide” des cellules, les chercheurs se tournent vers leur environnement “fluide”. En tant que théoricien formé aux mathématiques appliquées, j’utilise des modèles mathématiques pour comprendre la physique de la biologie cellulaire. Mes collègues Sean X. Sun et Konstantinos Konstantopoulos et moi-même avons été parmi les premiers scientifiques à découvrir comment l’eau et la pression hydraulique influencent la migration des cellules grâce à des modèles théoriques et des expériences en laboratoire. Dans nos travaux de recherche récemment publiés, nous avons découvert que la migration des cellules cancéreuses du sein humain est favorisée par l’écoulement et la viscosité des fluides qui les entourent, clarifiant ainsi l’un des facteurs influençant le mode de métastase des tumeurs.
Les cellules peuvent se déplacer de différentes manières.
Comment les fluides affectent la migration cellulaire
Les cellules du corps humain sont constamment exposées à des fluides aux propriétés physiques différentes. L’eau est l’un de ces fluides qui peut diriger la migration des cellules. Par exemple, nous avons découvert que la façon dont l’eau traverse les membranes des cellules cancéreuses du sein influence leur déplacement et leur métastase. En effet, la quantité d’eau qui entre et sort d’une cellule provoque son rétrécissement ou son gonflement, ce qui induit un mouvement par la translocation de différentes parties de la cellule.
La viscosité, ou l’épaisseur, des fluides corporels varie d’un organe à l’autre, et d’un état de santé à l’autre, ce qui peut également affecter la migration cellulaire. Par exemple, le fluide entre les cellules cancéreuses dans les tumeurs est plus visqueux que le fluide entre les cellules normales dans les tissus sains. Lorsque nous avons comparé la vitesse à laquelle les cellules cancéreuses du sein se déplacent dans des canaux confinés remplis d’un fluide de viscosité normale par rapport à un fluide de viscosité élevée, nous avons constaté que les cellules dans les canaux de viscosité élevée se déplaçaient contre-intuitivement de 40%. Cette découverte était inattendue car les lois fondamentales de la physique nous disent que les particules inertes devraient ralentir dans les fluides à haute viscosité en raison d’une résistance accrue.
Le fluide bleu à gauche a une viscosité plus faible par rapport au fluide orange à droite. Synapticrelay/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Nous avons voulu comprendre le mécanisme à l’origine de ce résultat surprenant. Nous avons donc identifié les molécules impliquées dans ce processus, découvrant une cascade d’événements qui permettent aux environnements à haute viscosité d’améliorer la motilité cellulaire.
Nous avons découvert que les fluides à haute viscosité favorisent d’abord la croissance de filaments protéiques appelés actine, qui ouvrent des canaux dans la membrane de la cellule et augmentent l’apport en eau. La cellule se dilate sous l’effet de l’eau, activant un autre canal qui absorbe des ions calcium. Ces ions calcium activent un autre type de filament protéique appelé myosine qui induit le mouvement de la cellule. Cette cascade d’événements incite les cellules à modifier leur structure et à générer davantage de force pour surmonter la résistance imposée par le fluide à haute viscosité, ce qui signifie que les cellules ne sont pas du tout inertes.
Nous avons également découvert que les cellules conservaient une “mémoire” après avoir été exposées à un milieu à haute viscosité. Cela signifie que si nous plaçons des cellules dans un milieu à haute viscosité pendant plusieurs jours et que nous les replaçons ensuite dans un milieu à viscosité normale, elles se déplaceront toujours à une vitesse plus rapide. La façon dont les cellules conservent cette mémoire reste une question ouverte.
Nous nous sommes alors demandé si nos résultats sur la mémoire visqueuse resteraient vrais chez les animaux, et pas seulement dans les boîtes de Pétri. Nous avons donc exposé des cellules de cancer du sein humain à un milieu à haute viscosité pendant six jours, puis nous les avons placées dans un milieu à viscosité normale. Nous avons ensuite injecté les cellules dans des embryons de poulet et des souris.
Nos résultats étaient cohérents : Les cellules pré-exposées à un milieu à haute viscosité ont eu uneune capacité accrue à fuir dans les tissus environnants et à former des métastases par rapport aux cellules qui n’ont pas été pré-exposées. Ce résultat démontre que la viscosité des fluides dans le milieu environnant d’une cellule est un indice mécanobiologique qui favorise la métastase des cellules cancéreuses.
Comprendre comment les cellules se déplacent pourrait aider à élucider la façon dont les tumeurs se métastasent.
Implications pour le traitement du cancer
Les patients atteints de cancer ne meurent généralement pas de la source initiale de la tumeur, mais de sa propagation à d’autres parties du corps.
Lorsque les cellules cancéreuses se déplacent dans le corps, elles se déplacent dans des espaces dont la viscosité des fluides varie. Comprendre comment la viscosité des fluides affecte le mouvement des cellules tumorales pourrait aider les chercheurs à trouver des moyens de mieux traiter et détecter le cancer avant qu’il ne se métastase.
La prochaine étape consistera à mettre au point des techniques d’imagerie et d’analyse pour examiner avec précision la façon dont les cellules de divers types d’animaux de laboratoire réagissent aux changements de viscosité des fluides. L’identification des molécules qui régulent la façon dont les cellules répondent aux changements de viscosité pourrait aider les chercheurs à identifier des cibles médicamenteuses potentielles pour réduire la propagation du cancer.
Yizeng Li, Professeur adjoint de génie biomédical, Université de Binghamton, Université d’État de New York.
