Divided medium-based model for analyzing the dynamic reorganization of the cytoskeleton during cell deformation
Modélisation du comportement mécanique de la cellule et de son cytosquelette : approche basée sur la mécanique des milieux divisés
Résumé
The mechanical behavior of living cells, which helps control their biological activity, is closely linked to the mechanical properties of their cytoskeleton (CSK). To describe the prestressed, multi-modular structure of the CSK and its dynamic reorganization, I developed a 2D numerical mechanical model based on the theory of divided media: the CMD (Cytoskeleton - Divided Media) model. The intracellular force systems generated by the various filament networks of the CSK are reproduced in the CMD model by networks of tension and compression interactions established between the nodes of the divided medium making up the model. The special feature of the CMD model is that it proposes a dynamic reorganization mode for the CSD, based on a variable connectivity of the interaction networks that changes to adapt to loading; this reorganization makes it possible to translate the local rearrangements of the CSQ filaments during deformation. The CMD model reproduces the stiffening behavior observed experimentally in cells undergoing deformation, which is a function of the level of CSK contractility. In addition, the interaction networks that develop and balance within the CMD model enable us to identify the different substructures of the CSK: the cortex, the tension fiber network connected to the extracellular matrix via adhesion focal points, the diffuse actin filament network, the intermediate filament network and the microtubule network. Removal of any of these interaction networks leads to a reduction in prestress and stiffness in the model, resulting in a loss of structural integrity, suggesting that CSK substructures are highly interdependent. In view of these results, the CMD model may provide a tool for understanding cellular processes involving CSK reorganization, such as adhesion, migration or mechanotransduction.
Le comportement mécanique des cellules vivantes, qui participe au contrôle de leur activité biologique, dépend étroitement des propriétés mécaniques de leur cytosquelette (CSQ). Pour décrire la structure précontrainte et multi-modulaire du CSQ et son mode de réorganisation dynamique, j'ai développé dans le cadre de cette thèse, un modèle mécanique numérique 2D basé sur la théorie des milieux divisés : le modèle CMD (Cytosquelette - Milieux Divisés). Les systèmes de forces intracellulaires générées par les différents réseaux de filaments du CSQ sont reproduits dans le modèle CMD par des réseaux d'interactions de tension et de compression qui s'établissent entre les noeuds du milieu divisé qui compose le modèle. La particularité du modèle CMD est de proposer un mode de réorganisation dynamique du CSD, basé sur une connectivité variable des réseaux d'interactions qui se modifie pour s'adapter au chargement ; cette réorganisation permet de traduire les réarrangements locaux des filaments du CSQ en cours de déformation. Le modèle CMD reproduit le comportement de rigidification observé expérimentalement sur des cellules en cours de déformation et qui est fonction du niveau de contractilité du CSQ. De plus, les réseaux d'interactions qui se développent et s'équilibrent au sein du modèle CMD permettent d'identifier les différentes sous-structures du CSQ : le cortex, le réseau de fibres de tension connecté à la matrice extracellulaire via les points focaux d'adhésion, le réseau diffus de filaments d'actine, le réseau de filaments intermédiaires, le réseau de microtubules. La suppression d'un de ces réseaux d'interactions entraîne dans le modèle une diminution de la précontrainte et de la rigidité qui se traduit par une perte d'intégrité structurale, suggérant ainsi que les sous-structures de CSQ sont fortement interdépendantes. Au vu de ses résultats, le modèle CMD peut constituer un outil pour comprendre les processus cellulaires, qui impliquent la réorganisation du CSQ, tels que l'adhésion, la migration ou la mécanotransduction
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