Fonctionnalisation de substrats pour l'étude des phénotypes de migration cellulaire

Abstract

Parmi les principaux modèles de la migration cellulaire associée à l’inflammation, notons : 1. la migration des neutrophiles en réponse à des signaux de danger et 2. la migration de cellules cancéreuses d’une tumeur primaire vers un site métastatique. Dans les deux cas, la façon par laquelle les cellules traitent l’information des signaux de l’environnement est un facteur clé à la régulation des processus inflammatoires. Ce travail repose sur l’hypothèse selon laquelle la biophotonique, tels la fonctionnalisation de substrat et le traitement d’image, contribue à la compréhension de la migration cellulaire, particulièrement la plasticité des phénotypes migratoires chez les neutrophiles et les cellules cancéreuses. L’objectif du projet était donc d’étudier la migration cellulaire en appliquant les méthodes innovantes de fonctionnalisation de substrat par laser et des algorithmes de suivi des trajectoires. Dans un premier temps, le but était de déterminer la réponse des neutrophiles aux gradients de molécules chimiotactiques fonctionnalisées sur un substrat de culture. La micro-ingénierie laser de gradients moléculaires sur substrat permet de fabriquer différentes géométries et donc d’étudier in vitro la migration par haptotaxie, reproduisant les signaux perçus in vivo. J’ai développé un essai d’haptotaxie novateur en modifiant un essai classique de chambre de migration sous agarose ainsi qu’en filmant les neutrophiles à un débit permettant une analyse subtile et automatisée des mouvements des cellules. Dans un deuxième temps, j’ai appliqué les algorithmes automatisés d’analyse de trajectoires à la caractérisation de phénotypes de neutrophiles associés aux tumeurs. Cette analyse a permis d’identifier des signaux protumoraux sécrétés par l’environnement métastatique propre à un phénotype particulier de neutrophile. Dans un troisième temps, j’ai adapté la méthode de fonctionnalisation de substrats par laser, cette fois en modifiant directement la surface des cellules migrantes. Pour cette application, le marquage des membranes cellulaires permet d’identifier visuellement et fonctionnellement des cellules ayant un profil migratoire particulier. Cette thèse met en évidence l’apport des technologies émergentes, telles que la fonctionnalisation de substrats et l’analyse d’images par des algorithmes automatisés, à la compréhension des mécanismes de migration cellulaire. À travers même le contexte de l’inflammation, j’ai démontré la plasticité des phénotypes dans la réponse cellulaire aux différents signaux de l’environnement. Finalement, j’ai aussi démontré des applications potentielles de la fonctionnalisation membranaire de cellules migrantes à l’étude de différents phénotypes migratoires.

Amongst the major models of cell migration in the context of inflammation, two are of interest in this thesis: 1. Neutrophil migration in response to danger signals and 2. Migration of cancer cells from a tumour site to a metastatic niche. In both cases, information processing of environmental signals is key to inflammation regulation. The hypothesis supporting this work is that biophotonics, such as substrate functionalization and image processing, contributes to the understanding of cell migration, especially plasticity in migratory phenotypes in neutrophils and cancer cells. Following this, the object of this thesis was to study cell migration applying new methods of substrate functionalization by laser and cell tracking algorithms. The first objective is to determine the neutrophils response to substrate-bound chemotactic gradients. Laser microengineering of cell culture surfaces with chemotactic cues leads to fabrication of varying gradient shapes and thus, studying in vitro haptotaxie processes, closely mimicking in vivo signals. I developed a novel migration assay by modifying the classic under-agarose assay and acquiring time-lapse imaging data set to perform subtle automated cell tracking algorithms. In the second part of this thesis, I apply an automated cell tracking algorithm to the characterization of neutrophil phenotypes associated with cancer. This analysis revealed new cues secreted by the metastatic niche to which only a subtype of neutrophil responds to. In the last part of the thesis, I adapted the substrate functionalization by laser to directly modify the surface of migrating cells. For this application, functionalizing cell membranes allows to visually and functionally mark cells with outstanding migratory profiles. This thesis shows the impact of emerging technologies such as substrate functionalization and image processing on the field on cell migration. In the context of inflammation processes, I showed the extent of cell plasticity in response to chemotactic cues. Finally, I also demonstrated potential applications of cell functionalization in studying specific migratory phenotypes