Physical modelling of cell and tissue mechanics applied to single cell spreading, cancerous budding and cell extrusion

During this PhD, I studied different phenomena pertaining to the mechanics of cells and tissues. The first project describes lamellipodial initiation during cell spreading. The model introduces a coupling between membrane curvature and cortical actin orientation, that generates substrate tractions by friction. A full wetting transition exists when edge curvature, actin orientation and tractions enter into a positive feed-back loop. A bi-stable transition allows a polar nucleation. The second project is an experimental collaboration that studies the way Cancer-Associated Fibroblasts (CAFs) cells could reshape tumours. CAFs surrounding a cluster of Cancer Cells (CCs) assemble a contractile ring to end up on top of CCs, and sometimes build a 3D bud through a shear stress. We use an elasto-plastic model for CAFs, compared with CAF closure dynamics and tractions. We combine vertex and continuous mechanical models to describe the CC monolayer shape, until the appearance of rearrangements. Finally, we describe the mechanical stability of buds by combining elasticity with plastic rearrangements. The last project reports preliminary results on the mechanics of cell extrusion in an epithelial monolayer under compression. Using the same vertex model, we look at the mechanical properties able to drive the basal-to-lateral and lateral-to-apical transitions. Then, we search for a mechanical instability on a minimal 3-cell system, and identify conditions that favour extrusion.
Durant ce doctorat, j’ai étudié différents phénomènes liés à la mécanique de cellules et tissus. Le premier projet décrit l’initiation lamellipodiale durant l’étalement cellulaire. Le modèle introduit un couplage entre la courbure membranaire et l’orientation d’actine corticale, qui génère des tractions sur le substrat par friction. Une transition de mouillage total existe quand la courbure du bord, l’orientation d’actine et les tractions entrent dans une boucle rétro-active positive. Une transition bi-stable autorise une nucléation polarisée. Le second projet est une collaboration expérimentale qui étudie comment des Fibroblastes-Associés au Cancer (FACs) pourraient remodeler des tumeurs. Des FACs entourant un amas de Cellules Cancéreuses (CCs) assemblent un anneau contractile pour finir au-dessus des CCs, et génèrent parfois un bourgeon 3D par contrainte de cisaillement. On utilise un modèle élasto-plastique pour les FACs, comparé à la dynamique de fermeture des FACs et les tractions. On combine des modèles mécaniques à «vertex» et continu pour décrire la forme de la monocouche de CCs, jusqu’à l’apparition des réarrangements. Finalement, on décrit la stabilité mécanique des bourgeons en combinant élasticité et réarrangements plastiques. Le dernier projet rapporte des résultats préliminaires sur la mécanique de l’extrusion cellulaire dans une monocouche épithéliale sous compression. Utilisant le même modèle de vertex, on regarde les propriétés mécaniques capables de générer les transitions basal-latéral et latéral-apical. Ensuite, on cherche une instabilité mécanique pour un système minimal à trois cellules, identifiant les conditions qui favorisent l’extrusion.