Automatisation de l'AFM pour la caractérisation mécanique des échantillons biologiques à différentes échelles

Abstract

Ces dernières années, l'étude de la mécanique des cellules et de la matrice extracellulaire (MEC) a connu un essor considérable, en raison de la reconnaissance de son rôle crucial dans les processus physiologiques et pathologiques tels que la division cellulaire, la migration, la différenciation et la malignité. La microscopie à force atomique (AFM) s'est imposée comme une technique parfaitement adaptée à l'étude des propriétés mécaniques des cellules vivantes et de la matrice extracellulaire, offrant des mesures de rigidité, d'élasticité, d'adhésion et de viscoélasticité. Toutefois, l'efficacité de l'AFM dans la recherche biologique est limitée par sa dépendance à l'égard d'utilisateurs qualifiés et par son faible rendement. Pour surmonter ces difficultés, les chercheurs se sont efforcés à améliorer le débit de l'AFM afin d'accroître son efficacité et de permettre l'acquisition d'ensembles de données plus importants.Dans ce travail, nous proposons un système automatisé basé sur la détection d'objets qui incorpore des algorithmes pour garantir la qualité des données acquises. Pour démontrer la viabilité du système AFM automatisé que nous avons mis au point, nous avons effectué des tests sur trois échantillons couramment étudiés à l'aide de l'AFM, chacun à une échelle de taille différente.Tout d'abord, nous avons mené des expériences sur des nanovésicules artificielles avec trois mélanges de lipides différents et trois tailles d'extrusion différentes. Dans nos résultats, nous avons observé que la théorie de l'enveloppe mince est moins affectée par la taille des NVs et fournit une meilleure description des propriétés mécaniques des NVs que le modèle de Hertz. Le développement de protocoles automatisés d'acquisition et d'analyse des données ouvre la voie à l'établissement d'une méthodologie pouvant être appliquée aux vésicules extracellulaires dérivées de cellules dans des conditions pathologiques et non pathologiques.En outre, nous avons traité des cellules épithéliales de pigment rétinien immortalisées par la télomérase inverse (hTERT-RPE-1) avec de la latrunculine-A, confirmant une diminution du module de Young apparent (E) par rapport aux cellules non traitées. Ceci valide l'application de notre système aux cellules de mammifères.En intégrant un algorithme de suivi, nous avons analysé les propriétés mécaniques des fibroblastes NIH3T3 en migration sur le verre au fil du temps. Nous avons observé que le rapport E avant-arrière et le rapport E bord d'attaque/bord pour des cellules NIH3T3 en migration sont faiblement corrélés à la vitesse de migration, mais pas à l'angle de migration ni aux changements de l'angle de migration de la cellule. Cela suggère que même lorsque les cellules se déplacent dans une direction particulière, elles explorent constamment d'autres chemins.En outre, nous avons adapté avec succès le système pour mesurer l'empreinte mécanique des tissus de la vessie de rat. Nos expériences automatisées ont capturé avec succès l'empreinte mécanique des échantillons de tissus, révélant les trois régions mécaniques distinctes et obtenant des valeurs cohérentes avec les études précédentes.En plus du système AFM automatisé, nous avons développé un logiciel libre pour mesurer les propriétés élastiques et viscoélastiques à partir des données AFM. Le logiciel a été validé par rapport à des scripts MATLAB et à des logiciels commerciaux.Ce travail contribue à l'avancement de la recherche biophysique en introduisant un nouveau système AFM automatisé capable de caractériser les propriétés mécaniques de divers échantillons biologiques et un logiciel libre pour extraire les propriétés élastiques et viscoélastiques des données AFM.