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Le secret des cellules baladeuses
Le phénomène est fascinant. Si on observe attentivement au microscope, pendant de longues minutes, une cellule fibroblaste de peau ou de cartilage en culture dans une boîte de Petri, on la voit ramper ! Et ce, d’elle-même, sans l’intervention d’agents externes, mais grâce à plusieurs processus cellulaires cycliques coordonnés, répétés en boucle.
Dans un premier temps, la cellule projette une extension large et plate qui s’ancre sur son support, formant ce qu’on appelle un « lamellipode ». Ensuite, la cellule se contracte. Ce faisant, elle décolle sa partie arrière. Puis ce cycle de protrusion, adhésion et contraction recommence, et la cellule avance sur le support… Un cycle assez similaire à la « marche » de l’escargot.
Un processus fondamental
Ce processus de motilité cellulaire, qu’on peut observer lorsque les cellules sont imbriquées dans des tissus, leur permet d’avancer de 10 à 15 micromètres (millièmes de millimètres) par minute. En comparaison, les spermatozoïdes, qui utilisent un tout autre mode de motilité (la nage, grâce à une sorte de queue appelée « flagelle »), peuvent se déplacer de 3 mm par minute, soit 100 à 200 fois plus vite.
Il n’empêche : « La motilité cellulaire intratissulaire est un processus fondamental. Elle est indispensable à la formation et au maintien du corps humain et des autres organismes pluricellulaires (constitués de plusieurs cellules), relève Matthieu Piel, biologiste cellulaire au laboratoire Biologie cellulaire et cancer1, à l’Institut Curie, à Paris. Mieux décrypter ses mécanismes pourrait ouvrir de nouvelles perspectives en médecine, notamment contre le cancer. »
Tout au long de la vie
La motilité cellulaire intervient dès les premiers instants de la vie, lors du développement embryonnaire – processus qui débute avec la fécondation et se poursuit jusqu’à la naissance. « Alors, les cellules embryonnaires se déplacent activement sur des distances de plusieurs centimètres. Cela, pour gagner des sites spécifiques correspondant à ceux des futurs organes, et ainsi former les tissus et les organes », explique Matthieu Piel.
Par la suite, une certaine stabilité semble s’installer… Mais elle n’est qu’apparente ! Car la motilité cellulaire persiste tout au long de la vie. Elle est notamment fondamentale pour la régénération de tissus comme la muqueuse intestinale (qui tapisse l’intérieur de l’intestin). « Ici, la motilité cellulaire est indispensable pour permettre le déplacement des nouvelles cellules produites à la base de ce tissu vers sa surface. Survenant en continu, cette migration directionnelle des cellules épithéliales garantit l’intégrité et la fonctionnalité de la muqueuse intestinale », précise Danijela Vignjevic, qui étudie ce processus au laboratoire Biologie cellulaire et cancer.
La motilité est également essentielle pour la cicatrisation de la peau. Celle-ci nécessite en effet le déplacement de plusieurs types cellulaires : les cellules immunitaires qui, après avoir été transportées par le sang, se faufilent dans le tissu lésé pour y éliminer les débris et stimuler la réparation ; les fibroblastes, qui transitent vers la zone de la plaie, y prolifèrent et contribuent à la fabrication d’une nouvelle matrice extracellulaire (réseau de macromolécules entourant les cellules dans les tissus) ; ou encore, les kératinocytes, qui se déplacent à partir des berges de la plaie pour reconstituer un nouvel épiderme complet.
Pas une motilité, mais plusieurs
Il existe plusieurs modes de motilité cellulaire, qui dépendent du type de cellules et de leur environnement. Celui décrit jusqu’ici est aussi appelé « motilité mésenchymateuse », car c’est celui qu’adoptent les cellules mésenchymateuses (le mésenchyme est un tissu de soutien embryonnaire).
Découverte dans les années 1970 par le biologiste cellulaire et embryologiste anglais Michael Abercrombie (1912-1979), la motilité mésenchymateuse est désormais bien comprise au niveau moléculaire. Il est notamment établi que c’est l’élongation (ou « polymérisation ») de microfilaments d’actineFermerActine : protéine contribuant au processus de contraction des muscles. qui permet dans un premier temps la projection d’une extension de la membrane cellulaire. Les molécules d’actine sont un composant majeur du cytosquelette, le réseau de protéines responsable du maintien de la forme des cellules.
On sait également que ce sont des complexes protéiques d’adhésion, les intégrines, qui permettent ensuite l’adhésion du lamellipode sur son environnement cellulaire. Situées aux extrémités des fibres d’actine du cytosquelette, ces grosses structures moléculaires permettent à la cellule de s’ancrer activement à son substrat et de transmettre une force mécanique qui la propulse vers l’avant. En effet, au même moment, les structures d’adhésion situées à l’arrière de la cellule se désassemblent. Résultat, la partie arrière de la cellule se décolle, la cellule se contracte, ce qui lui permet d’aller de l’avant.
Cette contraction repose enfin sur une autre molécule assurant le rôle de moteur moléculaire : la myosine. Celle-ci se lie aux microfilaments d’actine et utilise de l’ATP (la molécule énergétique des cellules) pour les faire glisser les uns par rapport aux autres, provoquant la rétraction de la membrane cellulaire.
À la façon de parasites
Un second type de motilité cellulaire est tout aussi fascinant : le mode amiboïde. « Même s’il a été découvert plus récemment, il y a quelques décennies, ce processus semble cependant être le mode de migration le plus répandu et ancestral des cellules qui “rampent”, souligne Matthieu Piel. Il intéresse beaucoup les chercheurs, car il est le mode de motilité des cellules immunitaires et des cellules tumorales les plus agressives : les cellules cancéreuses amiboïdes. »
Comme son nom l’indique, le mode amiboïde concerne les cellules dont les mouvements rappellent ceux des amibes, des parasites unicellulaires très mobiles qu’on retrouve dans les eaux souillées. À la façon de ces micro-organismes, les cellules qui adoptent cette motilité rampent en déformant leur membrane plasmique et en émettant des extensions ressemblant à des « pieds cellulaires », des pseudopodes (du grec « pseudes » : faux ; et « podos » : pied), des structures souvent bulbeuses («  blebs ») ou filiformes – alors que les lamellipodes de la motilité mésenchymateuse sont plates et larges.
« Pour les cellules tumorales, on ne parle pas de “podosomes”, mais d’ “invadopodes”, pour souligner leur implication dans la capacité de ces cellules à envahir d’autres organes », relève Philippe Chavrier, biologiste au laboratoire Biologie cellulaire et cancer, coauteur d’un récent article2 faisant le point sur les connaissances sur ces structures.
À l’aide de simulations numériques3, Alexander Farutin et ses collègues du Laboratoire interdisciplinaire de physique4, à Saint-Martin-d’Hères (Isère), ont pu montrer que l’adjonction de molécules d’actine à l’extrémité en croissance des filaments, accompagnée de leur dissociation à l’autre extrémité, suffit à induire un mouvement de la cellule. Cela sans intervention de la myosine. « Cette découverte remet en question le dogme classique selon lequel les moteurs moléculaires, en particulier la myosine, sont indispensables à la motilité cellulaire », note le physicien.
Cellules alpinistes, cellules nageuses
Plus récemment, au début des années 2000, les chercheurs ont découvert un troisième mode de motilité intriguant : le déplacement dit « en cheminée », appelé ainsi du fait de sa ressemblance avec la technique du même nom utilisée par les alpinistes pour escalader des crevasses rocheuses. « Ce type de motilité permet à la cellule de se déplacer en poussant sur son environnement, un peu comme quand on pousse sur ses parois pour grimper », décrit Matthieu Piel, qui a contribué à mieux comprendre ce processus5.
Contrairement aux deux modes précédents, le déplacement en cheminée ne nécessite aucune adhésion. Il est adopté principalement par les cellules immunitaires et les cellules cancéreuses mobiles amiboïdes quand elles sont coincées entre deux substrats : microcapillaires sanguins étroits, espaces très serrés entre les fibres de la matrice extracellulaire ou entre les cellules de tissus denses, etc.
À la nage
Reste un dernier style de motilité : la nage ! Un peu comme les spermatozoïdes, mais, cette fois, la propulsion s’effectue grâce à des pagaies moléculaires et non grâce à un flagelle. De plus, elle se déroule à l’intérieur des tissus et non dans les voies reproductrices masculines et féminines.
« Nos travaux6 montrent que les cellules immunitaires sont capables de nager grâce à des protéines transmembranaires, telles que les intégrines, dont la partie intracellulaire est reliée au cytosquelette, tandis que la partie extracellulaire agit comme une pagaie », détaille Olivier Théodoly, du Laboratoire adhésion & inflammation7, à Marseille. Selon certains immunologistes, ce type de processus pourrait expliquer comment les cellules immunitaires se déplacent dans le liquide interstitiel, qui remplit les espaces entre les cellules au sein des tissus inflammés.
Contre les métastases
Élucider les mécanismes de la motilité cellulaire pourrait aider à développer des traitements capables de freiner ou empêcher la formation et la migration de métastases cancéreuses.
En 2022, l’équipe de Cécile Sykes, physicienne spécialiste de la matière molle (qui se déforme) au Laboratoire de physique de l’École normale supérieure8, à Paris, a publié une « recette » permettant de fabriquer un système qui pourrait grandement aider ici. Ce dispositif avec des billes microscopiques recouvertes d’une protéine spéciale (WASP) permet de commencer l’assemblage de l’actine et, ainsi, de reconstituer la motilité basée sur l’actine9. « Notre système pourrait mener à l’identification de médicaments capable de bloquer spécifiquement la polymérisation d’actine et donc le déplacement de cellules cancéreuses », explique la physicienne.
Bientôt des thérapies mécaniques ?
Par-delà les médicaments, une meilleure compréhension de la motilité cellulaire pourrait ouvrir des pistes thérapeutiques mécaniques et non chimiques. C’est le défi relevé par les équipes du Laboratoire Jean-Alexandre Dieudonné (LJAD)10, à Nice, et du Laboratoire de mécanique Paris-Saclay11. « Nous espérons développer des “theramécaniques” (contraction de “thérapies mécaniques”, Ndlr), comme des hydrogels injectables ou des matériaux capables de modifier les propriétés mécaniques (forme, résistance...) des cellules, de leurs composantes ou de leur environnement, et ainsi de freiner leur migration », précise Rachele Allena au LJAD.
Récemment, elle a proposé une theramécanique consistant à moduler les propriétés géométriques et mécaniques du noyau12. En effet, ce composant cellulaire rigide et très volumineux, pourrait ainsi être manipulé pour empêcher les déplacements des cellules, notamment cancéreuses, dans les interstices étroits des tissus. Une piste encore exploratoire, mais très prometteuse.
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- 1. Unité CNRS/Institut Curie.
- 2. C. Gamblin et P. Chavrier, « Invadosomes – Entre mobilité et invasion, naviguer dans la dualité des fonctions cellulaires », Med Sci, 2024 : https://doi.org/10.1051/medsci/2024080
- 3. W. Schmidt, et al., « Myosin-Independent Amoeboid Cell Motility », Physical Review Letters, 2025 : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.158301
- 4. LiPhy, unité CNRS/Université Grenoble Alpes.
- 5. R. J. Hawkins, et al., « Pushing off the Walls: A Mechanism of Cell Motility in Confinement », Physical Review Letters, 2009 : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.058103
- 6. L. Aoun, et al. « Amoeboid Swimming Is Propelled by Molecular Paddling in Lymphocytes », Biophysical Journal, 2020 : https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.07.033
- 7. LAI, unité CNRS/Aix-Marseille Université/Inserm.
- 8. LPENS, unité ENS/CNRS/Sorbonne Université/Université Paris Cité.
- 9. C. Sykes et J. Plastino, « Reconstitution of Actin-Based Motility with Commercially Available Proteins », Journal of Visualized Experiments, 2022 : https://dx.doi.org/10.3791/64261
- 10. Unité CNRS/Université Nice Côte d’Azur.
- 11. LMPS, unité CNRS/ENS Paris-Saclay/CentraleSupélec.
- 12. Rachele Allena, « Potential theramechanics for cancer invasion: an in silico study », Mathematics in Medical and Life Sciences, 2024 : https://doi.org/10.1080/29937574.2024.2404052
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Auteur
Journaliste scientifique freelance depuis dix ans, Kheira Bettayeb est spécialiste des domaines suivants : médecine, biologie, neurosciences, zoologie, astronomie, physique et nouvelles technologies. Elle travaille notamment pour la presse magazine nationale.