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22 Feb

La mécanobiologie

Publié par francois delcourt  - Catégories :  #Biomécanique

La mécanobiologie

Dans la définition de l’ostéopathie : l’ostéopathe, dans une approche systémique, après diagnostic ostéopathique, effectue des mobilisations et des manipulations pour la prise en charge des dysfonctions ostéopathiques du corps humain afin d’améliorer l’état de santé.

La notion de diagnostic propre à l’ostéopathie, se déroule en deux étapes : la première concerne les limites de la prise en charge du patient par l’ostéopathe et lui permet d’identifier les symptômes et signes d’alerte justifiant un avis médical préalable à une prise en charge ostéopathique correcte. La deuxième lui permet d’identifier et de hiérarchiser les dysfonctions ostéopathiques et leurs interactions afin de décider du traitement ostéopathique le mieux adapté à l’amélioration de l’état de santé. (voir article ici et )

Mais qu’est-ce qu’une dysfonction ostéopathique ?

La dysfonction ostéopathique est une altération de la mobilité, de la viscoélasticité ou de la texture des composantes du système somatique.

L’ostéopathie a ainsi pour objet diagnostique et thérapeutique l’évaluation et la modification des propriétés mécaniques des tissus conjonctifs

L’altération des propriétés mécaniques des tissus peut être à l’origine d’une altération de l’état de santé.

La mécanique du biologique

Comme nous l’avons vu dans un précédent article, les propriétés mécaniques des tissus biologiques sont soumises à des lois physiques de déformations minimes. Un tissu biologique soumis à une force (extérieure ou intérieure) créant des contraintes sur celui-ci va provoquer des déformations (visibles ou pas). Le tissu vivant va réagir et s’adapter à ces contraintes en se transformant, il va devenir plus rigide ou plus souple, c’est à dire changer sa qualité élastique, acquérir de la masse ou au contraire en perdre. Un os non soumis à la pesanteur terrestre se décalcifie rapidement, un os subissant une pression s’épaissit (comme les pommettes saillantes de nos stars nouvellement liftées), un ligament non soumis à étirement se rétracte (lorsque l’on sort d’un plâtre par exemple).

Qu’en est-il de l’action de ces forces mécaniques à l’échelle de la cellule ?

La cytomécanique désigne tous les processus mécaniques au niveau cellulaire. Soit principalement : l’adaptation fonctionnelle, la contribution cellulaire au comportement mécanique d'un tissu.

Le principe de base à l’origine de ces processus d’origine mécanique au niveau cellulaire se nomme la mécanotransduction. C’est la transmission d’un signal mécanique en un autre type de signal.

L’ostéopathie a ainsi pour objet diagnostique et thérapeutique l’évaluation et la modification des propriétés mécaniques des tissus conjonctifs

Ethier, C. Ross; Simmons, Craig A. "Introductory biomechanics, from cell to organisms". Cambridge university press.

Ethier, C. Ross; Simmons, Craig A. "Introductory biomechanics, from cell to organisms". Cambridge university press.

Principe de mécanotransduction

La mécanotransduction se déroule en quatre étapes :

En premier lieu, le couplage mécanique représente le fait d’associer deux éléments (les molécules d'adhérence) pour former un ligant ; une protéine qui la relie à une cellule ou à deux cellules entre elles, ou une cellule à son substrat

La deuxième étape est la mécanotransduction proprement dite, c'est l'action d'une force sur un récepteur membranaire qui se propage vers d'autres récepteurs puis vers le cytosquelette cellulaire. Puis vient ensuite la transduction du signal qui est la conversion du signal mécanique en signaux physiologiques intracellulaires. Et enfin la réponse cellulaire, c'est à dire: comment la cellule réagit à ces forces induites, quel est son comportement réactionnel : elle se développe, se divise, se déplace, ou meurt. 

Diagramme soulignant le rapport entre la structure et la fonction.  •	La cellule croit et se divise lorsqu’elle est étirée •	meurt quand elle demeure rétractée •	se différencie pour un degré intermédiaire d’extension

Diagramme soulignant le rapport entre la structure et la fonction. • La cellule croit et se divise lorsqu’elle est étirée • meurt quand elle demeure rétractée • se différencie pour un degré intermédiaire d’extension

L'oeil est un transducteur par exemple, il transforme un signal lumineux en un signal électrique.

Le système conjonctif est un transducteur mécanique. Les cellules, en migrant ou en adhérant, exercent des forces sur leur substrat ; et inversement ce même substrat exerce des forces sur les cellules et celles-ci vont modifier leur comportement.

 

L’organisation mécanique de la cellule

Toutes ces actions mécaniques et physiologiques ont comme médiateur le cytosquelette, sorte de réseau fibreux composé de trois type de fibres : les microfilaments d’actine, les fibres intermédiaires, et les microtubules. 

Le système conjonctif est un transducteur mécanique.

La mécanobiologie

Autrefois considérée comme un sac rempli d’un gel informe avec des organites à l’intérieur, la description de la cellule a évolué. Les organites cellulaires sont inter-reliées par l’intermédiaire de ce cytosquelette, lui-même en relation à des protéines membranaires (les intégrines entre autres) permettant à la cellule d’adhérer à d’autres cellules ou à son substrat. Ainsi, toute action mécanique sur le tissu conjonctif va avoir un effet sur la cellule.

 

La cellule : structure précontrainte

Il existe au sein de la cellule, des ponts « acto-myosine » en forme de dipôles créant une polarité de celle-ci (les « fibres de stress »). 

La mécanobiologie

Ces « fibres de stress » vont avoir deux effet : en premier, celui de donner une certaine rigidité à la cellule en fonction du nombre de ces fibres de stress (c’est sa consistance, dure ou molle, en quelque sorte). Deuxièmement, celui d’orienter la cellule, avec un « avant » lui permettant de s’ancrer à son substrat pour se déplacer, et un « arrière » pour se détacher lors de sa locomotion.

La cellule est donc précontrainte, de part sa consistance, elle s’adapte aux contraintes mécaniques qu’elle peut subir.

L’ancrage de la cellule à son substrat se fait par l’intermédiaire de protéines membranaires (reliées au cytosquelette) au sein de ce qu’on appelle des points d’adhésions focales. Elle adhère par des « spots » et ne « dégouline » pas comme une huitre sur du carrelage mouillé.

 

Les fonctions principales de la cellule

L’organisation tissulaire est un condensé de prolifération cellulaire + différenciation cellulaire + migration cellulaire + adhésion cellulaire.

La migration cellulaire est une fonction importante mais pas encore très bien contrôlée.

Quel que soit le type cellulaire, on peut dégager certains mécanismes communs :

  • La membrane s'étend, grâce à la polymérisation de l'actine
  • La cellule s'ancre au substrat, grâce aux adhésions focales
  • Le contenu de la cellule, le noyau et le cytoplasme, avance dans la direction du mouvement.
  • À l'arrière de la cellule, des filaments d'actine se contractent, entraînant l'arrière de la cellule
  • Les adhésions qui sont présentes à l'arrière de la cellule se dissocient.

 

Dans le phénomène d’adhésion, la cellule répond à l'élasticité du substrat en réorganisant son cytosquelette, ce qui va à son tour modifier les forces à l'origine de cette réorganisation.

Cette réponse ne dépend pas de la nature de l'ancrage. Que ce soit un ancrage à la matrice extra cellulaire, à un substrat synthétique ou à une autre cellule, la réponse cellulaire se fera en fonction de l'intensité de l'ancrage.

La taille des adhésions focales augmente avec la rigidité du substrat. Il a été également montré que la rigidité de l'environnement de cellules cancéreuses varie.

On peut ainsi définir une échelle de rigidité tissulaire en fonction du type de tissu

La mécanobiologie

Ce phénomène est d’une importance extrême car en estimant la rigidité d’un amas cellulaire au sein d’un tissu, on peut extrapoler sa pathogénicité. En effet les tissus cancéreux sont généralement plus rigides, moins mobiles et plus « ancrés » au substrat (malgré la mobilité métastasique). L’enjeu est de taille pour les biologistes : contrôlez l’adhésion et la migration cellulaire et vous contrôlerez la genèse tumorale et la migration métastasique.

L’évaluation mécanique qualitative des tissus conjonctifs à l’aide de la main est une approche palpatoire très ancienne. Depuis toujours les médecins pratiquaient des palpations pour détecter des anomalies bien avant les progrès survenus par l’arrivée de l’imagerie. Hippocrates dans son ouvrage sur les pronostics parle de tissus répondants aux doigts de façon molle ou rigide comme indiquant une dangerosité et un pronostic de mort rapide pour ces derniers. (voir article)

 

Loin de moi l’idée de tenter de démontrer que le toucher ostéopathique permet de diagnostiquer des cancers, mais force est de constater que ce type de palpation évalue bien la rigidité tissulaire et non seulement une forme de mobilité articulaire comme on veut bien nous y enfermer. L’enjeu thérapeutique est tout autre.

 

Influence de la rigidité sur les fonctions cellulaires

Dans l'organisme, le module d'Young (coefficient d’élasticité et indicateur de la rigidité d’un matériau) varie d'un tissu à l'autre.

Les cellules appartenant à ces différents tissus ne vont donc pas réagir de la même façon à la variation d'une rigidité de leur environnement.

La rigidité du substrat joue un rôle sur l'adhésion et sur la migration de la cellule.

Il a été montré que plus le gel est mou, et moins la cellule s'étale, mais aussi moins elle migre vite. La vitesse sur un gel de raideur 5 kPa est de 0,1 μm/min et elle est de 0,5 μm/min sur un gel de raideur 70 kPa.

 

Placée sur un gel « mixte » (une partie molle, une partie rigide), la cellule, sur la partie la plus souple du substrat, s'approche de la frontière mou/dur : elle va passer sur la surface rigide sans modification de comportement. La cellule, sur la partie la plus rigide, s'approche du substrat mou : après avoir sondé la surface moins rigide, la cellule ne passe pas la frontière rigide/mou et reste sur la partie rigide, à la frontière des deux substrats. 

Loin de moi l’idée de tenter de démontrer que le toucher ostéopathique permet de diagnostiquer des cancers, mais force est de constater que ce type de palpation évalue bien la rigidité tissulaire et non seulement une forme de mobilité articulaire comme on veut bien nous y enfermer. L’enjeu thérapeutique est tout autre.

Comportement de la cellule sur un substrat mou (haut). Comportement d'une cellule sur un substrat dur (bas)

Comportement de la cellule sur un substrat mou (haut). Comportement d'une cellule sur un substrat dur (bas)

La cellule migre donc vers les zones les plus rigides, ce phénomène est appelé la durotaxie.

Imaginons simplement que le fait de redonner de l’élasticité à des tissus permettrait de limiter la durotaxie, la migration métastasique. Quelque soit la voie d’abord « mécanobiologique » : gymnique, ostéopathique, massage, le caractère préventif de la conservation d’un état de santé optimum est à envisager. Lors de mes études de kinésithérapie, le massage était contre-indiqué dans les cas de cancers, par principe de précaution, probablement pour éviter la propagation métastasique. Est-ce à dire que l’action mécanique sur le corps pourrait avoir une quelconque action ?

Aujourd’hui ce type de pratique serait-elle fortement indiquée ?

 

Rigidité et différenciation cellulaire

Lorsque l’on étudie le comportement de cellules souches adultes en fonction de la rigidité de leur substrat, on constate que :

  • Les cellules déposées sur un substrat dont la rigidité est du même ordre de grandeur que celle du tissu nerveux (E ≈ 0,1 à 1 kPa) développent l'expression de marqueurs caractéristiques de neurones.
  • Les cellules déposées sur un substrat de rigidité intermédiaire (E ≈ 8 à 17 kPa) prennent, comme les myoblastes, une forme de faisceau caractéristique. L'expression des marqueurs myogéniques est elle aussi fortement augmentée
  • Les cellules déposées sur un substrat rigide (E ≈ 25 à 40 kPa) présentent elles une morphologie proche des ostéoblastes, précurseurs des cellules osseuses

 

Mécanotransduction à distance

Une force appliquée au niveau des intégrines se propage le long du réseau du cytosquelette jusqu’au noyau à une vitesse inférieure à 5 μs (schéma du haut).

La propagation du signal du système du second messager chimique atteint le noyau en environ 5 s. 

La mécanobiologie

Se pourrait-il que des actions mécanobiologiques aient un effet épigénétique ?

Le réseau cytosqueletique s’étend jusqu’au noyau ; dans celui-ci des protéines particulières (les lamines) relient l’enveloppe nucléaire à la chromatine. Les forces propagées au sein de l’échafaudage nucléaire pourraient activer des gènes en quelques millisecondes. Par comparaison, la transduction du signal chimique des facteurs de croissance activant les fonctions nucléaires prend quelques secondes par l’intermédiaire de translocation dues à des moteurs moléculaires ou à des simples diffusions chimiques. 

Pour finir, une petite vidéo du Dr D. Ingber, un des précurseurs de la mécanobiologie

Références

Ethier, C. Ross; Simmons, Craig A. "Introductory biomechanics, from cell to organisms". Cambridge university press. 

Ingber, D. (s.d.). Récupéré sur http://www.childrenshospital.org/research/ingber.

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