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D’une mutation de la desmine et de ses conséquences sur le coeur et l’intestin

Mes collègues Alain Lilienbaum et Eva Cabet (Laboratoire de Biologie Fonctionnelle et Adaptative, Université de Paris / CNRS)  m’ont approché à l’époque pour caractériser la motilité d’intestins d’une souris présentant une mutation pour la desmine, dite R406W. Cette même mutation était en cause dans une cardiopathie sévère dans un patient allemand. Le défaut génétique entraîne un défaut d’agrégation des fibres de desmine, visible sur la photo ci-dessous, ce qui provoque un défaut de contractilité du muscle cardiaque:

Le modèle murin établi à Paris montre que cette mutation entraîne aussi des problèmes intestinaux, qui provoquent un décès prématuré. On voit ci-dessous des films comparés de la souris wildtype (sauvage, à gauche) et de la mutante (à droite), la différence saute aux yeux, on a un véritable syndrome de l’intestin ramollo:

Cet article est le fruit d’une collaboration franco-allemande. Un grand bravo à tous les scientifiques qui ont menés ce travail de longue haleine.

Quand les cellules pacemaker de l’intestin se mettent en route dans l’embryon

Tout comme les cellules qui assurent les battements réguliers du cœur, l’intestin présente des cellules « pacemakers»: c’est le réseau des cellules interstitielles de Cajal, logée « à fleur de muscle », et dont les dépolarisations électriques rythment l’activité de cet organe. Dans une étude publiée dans le journal American Journal of Physiology : Gastrointestinal and Liver Physiology, une équipe de chercheurs du laboratoire Matière Systèmes Complexes (N.Chevalier, Université de Paris / CNRS) et du laboratoire Phymedexp (S. Faure & P. de Santa Barbara, Université de Montpellier, INSERM / CNRS) ont mis en évidence le rôle de ces cellules dans le processus digestif en se penchant sur l’intestin embryonnaire de poulet. Ils ont déterminé que les cellules interstitielles de Cajal se différencient tôt mais ne s’activent qu’entre 12 et 14 jours chez cet animal, ce qui correspond à 12 à 14 semaines de développement du fetus humain. Ils ont capturé les premières oscillations électriques de ces cellules grâce à une technique de microscopie, l’imagerie calcique:

En comparant les cartes d’activités contractiles des intestins avant et après activation des cellules, ils ont mis en évidence le rôle essentiel de ces cellules dans l’établissement d’ondes digestives régulières:

Les ondes contractiles qui se propagent le long de l’intestin se régularisent sous l’action des cellules interstitielles de Cajal

Lorsque les pacemakers étaient bloquées à l’aide d’un inhibiteur spécifique, l’imatinib mésylate, les intestins présentaient des arythmies marquées. Les cellules interstitielles de Cajal sont connues pour présenter des défauts dans divers troubles de la digestion, comme la colopathie fonctionnelle. Ces recherches nous livrent donc des éléments importants pour mieux comprendre le fonctionnement de notre intestin, ses pathologies, et son développement embryonnaire.

Référence:

”Shifting into high gear: how Interstitial Cells of Cajal change the motility pattern of the developing intestine”, N.R.Chevalier, Y. Ammouche, A. Gomis, C. Teyssaire, P. de Santa Barbara, and S. Faure, Am. J. Physiol.-Gastroint. Liver Physiol., 2020, https://doi.org/10.1152/ajpgi.00112.2020

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International Young Phycisist Tournament

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Deux élèves étudient le problème du couvercle: pouquoi résonne-t-il lorsque exposé à la lumière d’un flash photographique ?

L’IYPT (à prononcer : aie–why–pi–ti)  a pour but de propulser les lycéens dans le monde de la physique expérimentale, de manière ludique et originale, dans l’esprit de la Main à la Pâte ou des Olympiades Française de Physique. Il  développe leur sens physique et améliore leurs capacités de communication scientifique. Le tournoi en est à sa 27ème édition. Une trentaine de pays participent aux IYPT, certains de longue date (Russie, Allemagne, Etats-Unis, Australie …), d’autres plus récemment (France, Chine, Nouvelle-Zélande, Iran, Singapour).

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Pourquoi cette goutte rebondit-elle sur une surface hydrophobe ?

Le principe du tournoi est le suivant: chaque été, une liste de 17 problèmes de physique est publiée. Les problèmes sont non-triviaux, à caractère fortement expérimental et ouverts, laissant lieu à des approches et des interprétations différentes. Ils sont le plus souvent inspirés d’observations de la vie courante, par exemple:

  • Pourquoi le bord d’une tâche de café séchée est-il plus foncé que sa partie centrale?
  • Pourquoi le bord d’une cymbale sonne-t-il lorsque exposé à la lumière d’un flash photographique?

La liste des problèmes 2015 est ici. Chaque équipe sélectionne une dizaine de problèmes parmi ceux proposés et a une année pour les étudier. La résolution des problèmes est en tout point similaire à une activité de recherche scientifique: observation du phénomène, ébahissement, réflexion, expériences plus détaillées, mise en théorie, etc.

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Quelle est l’origine de ses anneaux visibles à l’intérieur d’un tube de cuivre bien poli ?

Le tournoi à proprement parler a lieu chaque année en été dans un pays hôte différent (dernier en date : Taiwan 2013, UK 2014), et dure une semaine. Le tournoi se découpe en débats, au cours desquels les équipes doivent tour à tour exposer leurs solutions, critiquer, arbitrer, tout cela en anglais. Des points sont décernés par un jury composé de scientifiques. L’aspect culturel joue un rôle important lors de la rencontre: des visites sont organisées sur les lieux du tournoi; l’atmosphère détendue se prête idéalement aux échanges entre lycéens de tant de cultures différentes.

L’IYPT en France

Vous trouverez des informations détaillées sur le site : www.iypt-france.org. Contactez-moi directement si ce projet vous interpelle.

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Ombre d’un film de savon en lumière laser

J’ai initié avec Gilman Toombes et Patrice Bottineau la première participation française au tournoi de Tianjin en Chine en  2009. Depuis, la France a participé 4 fois, et décroché une médaille de bronze lors du tournoi 2012 de Bad Saulgau en Allemagne.

La préparation scientifique est actuellement gérée par des chercheurs et ingénieurs d’Altran Research et plusieurs ingénieurs de cette entreprise. Elle a lieu tous les mercredi après-midi au lycée Louis-le-Grand, qui nous accueille depuis le début de cette aventure. Les lycéens impliqués (une trentaine chaque année) viennent du tout Paris et de sa banlieue. La préparation est soutenue par plusieurs organismes et entreprises.

L’IYPT a un grand frère, l’IPT, qui suit le même principe mais vise un public d’étudiants d’université, prépa et écoles d’ingénieurs.

Au complet

L’équipe 2009 en Chine

L’intestin, long de par ses propres contractions dans l’embryon

L’intestin doit-il sa forme allongée à la génétique ? Des chercheurs du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot) ont cultivé des intestins miniatures et montré, qu’au contraire, l’organe s’étire grâce à ses propres contractions. Sans ce réflexe musculaire, l’intestin se développe en effet en largueur au lieu d’en longueur. Parus dans la revue Journal of the Royal Society: Interface, ces travaux contribuent à mieux comprendre l’influence de phénomènes physiques sur l’embryogenèse.

Un time-lapse sur 6 heures de segments d’intestins oxygénés en permanence. L’agitation est causée par les contractions cycliques des muscles lisses. On voit les intestins s’allonger progressivement: ils poussent, c’est une première en laboratoire.

Lors de l’embryogenèse, la génétique n’est pas le seul architecte du développement de la vie. La recherche découvre progressivement l’importance de paramètres physiques, et en particulier mécaniques, sur l’organisation des cellules pour former un nouvel être. En cultivant des intestins embryonnaires, des chercheurs du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot) ont constaté que la forme allongée de cet organe n’est pas directement encodé par le génome de ses cellules.

Dès que l’intestin est différencié, il s’active et se contracte régulièrement sous l’action d’un anneau musculaire. Si ce réflexe sert plus tard à la digestion et au pompage de la nourriture, les biophysiciens du MSC ont montré qu’il induit l’allongement de l’organe via un phénomène d’autopétrissage. Lorsque les chercheurs utilisent un relaxant musculaire, la nicardipine, ou découpent les muscles correspondants, les intestins de culture s’élargissent au lieu de s’allonger. Essentielle pour augmenter la surface d’absorption et compartimenter la digestion, la forme tubulaire de l’intestin découle ainsi directement de sa fonction mécanique digestive. Outre leur éclairage sur l’embryogenèse, ces travaux pourraient ouvrir la voie au traitement de maladies rares, comme le syndrome de l’intestin court, ou à la régénération de segments intestinaux.

Cette synthèse a été aimablement rédigée par Martin Koppe (CNRS)

L’embryogénèse dévoile un rôle clé du second cerveau pour la digestion

Pour propulser et mélanger les aliments ingérés, l’intestin est pourvu de muscles et d’un réseau de neurones autonome, le « second cerveau ». Une équipe de recherche du laboratoire « Matière et Systèmes Complexes » (CNRS/Université de Paris) et de l’Institut Jacques Monod (CNRS/Université de Paris) a mis en évidence un rôle clé du second cerveau en étudiant le moment où celui-ci « s’allume » au cours du développement de l’embryon aviaire. Ces résultats sont en couverture de l’édition de mai du Journal of Physiology. Les premiers mouvements de l’intestin embryonnaire sont purement musculaires (non-neuronaux), résultant de la propagation d’ondes électrochimiques rythmiques générées spontanément dans le muscle circulaire et longitudinal de l’intestin. Les chercheurs ont découvert que le système nerveux de l’intestin coordonne ces deux couches de muscle, en relaxant le muscle circulaire par la sécrétion d’un neurotransmetteur lorsque le muscle longitudinal est contracté. En composant ainsi les ondes musculaires spontanées, le second cerveau donne naissance à un nouveau mode de transport directionnel des aliments, essentiel pour la digestion : le péristaltisme. Cette approche très générale de « retro-ingénierie en développement » permet de mieux comprendre le fonctionnement et les pathologies qui peuvent affecter nos organes.

Le système nerveux de l’intestin de l’embryon aviaire à 16 jours, au stade où il commence à contrôler les contractions musculaires de l’intestin. Ce réseau de neurones est situé entre les couches musculaires circulaires et longitudinales, et coordonne celles-ci.
Crédits: Chloé Guedj, Nicolas Chevalier, Orestis Faklaris.

Bibliographie :

https://physoc.onlinelibrary.wiley….

Embryogenesis of the Peristaltic Reflex, insights into the myogenic to neurogenic transition of gut motility. Nicolas R. Chevalier, Nicolas Dacher, Cécile Jacques, Lucas Langlois, Chloé Guedj, Orestis Faklaris. Journal of Physiology le 15 Mai 2019, l’étude fait la couverture du numéro.

Our image of the enteric nervous system has been selected for the front cover of J. Physiol. 15th of May issue:

Alerte presse du CNRS :

http://www.cnrs.fr/fr/lembryogenese…

Intervention dans la « Méthode Scientifique » du 17 mai 2019, France Culture :

https://www.franceculture.fr/emissi…

Des ondes calcium aux origines de la digestion

Des ondes calcium aux origines de la digestion.

Les ondes calcium apparaissent sous la forme de flashs de lumière qui se propagent de cellule en cellule le long de la périphérie de la tranche lors des contractions.

Lorsque nous mangeons une tartine, celle-ci est acheminée dans le tube digestif par un mouvement  ondulatoire de la paroi de l’intestin : c’est le réflexe péristaltique. Cette onde comprime l’intestin en amont du bol alimentaire et le dilate en aval, ce qui a pour effet de le propulser. C’est l’existence de ce mouvement propre de la paroi intestinale qui fait que, par exemple, les spationautes peuvent digérer même en l’absence de pesanteur. Ce réflexe implique une coordination complexe entre neurones sensibles aux déformations de l’intestin, et muscles qui se contractent radialement et longitudinalement pour permettre un transport optimal du bol alimentaire. Des anomalies du péristaltisme sont à l’origine de nombreux troubles digestifs. Pour comprendre comment fonctionne le moteur « intestin »,  Nicolas Chevalier, physicien  au CNRS – Laboratoire Matière Systèmes Complexe, remonte le fil de son assemblage dans l’embryon, en observant les intestins aux stades les plus précoces de leur fonctionnement. « Le réflexe péristaltique ne s’apprend pas à la première tétée du bébé, mais se met en place progressivement au cours du développement embryonnaire, commençant vers la 6ème semaine de gestation chez l’humain », explique le chercheur. Dans une étude parue le 24 septembre 2018 dans la revue Philosophical Transactions of the Royal Society  B, le physicien a filmé pour la première fois les fluctuations spontanées de la concentration en ions calcium à l’intérieur des cellules de muscle lisse de l’intestin, lors des premiers mouvements digestifs de l’embryon aviaire, sur des organes maintenus vivants et actifs in vitro. Ces oscillations électrochimiques se propagent de cellule en cellule sans perte d’amplitude – on parle d’onde calcium. Le calcium provoquant la contraction du muscle, l’onde calcique entraîne une onde de contraction mécanique … péristaltique. Ces ondes peuvent être vues en incorporant dans les cellules des marqueurs fluorescents ; on peut alors suivre en vidéomicroscopie en même temps la déformation de l’intestin, et la variation de la concentration en calcium dans les cellules musculaires embryonnaires. « L’intestin embryonnaire est ainsi parcouru d’un ballet incessant d’ondes qui naissent, se propagent et s’annihilent lorsqu’elles s’entrechoquent.». Le chercheur a par ailleurs montré que les cellules musculaires réagissent à la moindre pression appliquée en générant une paire d’ondes calciques contra-propagatives s’échappant du point de compression. « Dans l’adulte, la forme de la réponse est asymétrique, la pression du bol alimentaire crée une contraction des muscles en amont et une relaxation en aval, permettant le transport du bol alimentaire dans une direction. Il y a fort à parier que les neurones de l’intestin établissent plus tard dans le développement cette asymétrie, en réprimant une des ondes calciques au profit de l’autre » confie le chercheur. Ces recherches permettent d’ores et déjà de comprendre comment un réflexe digestif fondamental a pu apparaître au cours de l’évolution pour permettre de répondre aux besoins énergétiques grandissant des animaux. Elles promettent de renouveler notre compréhension de la dynamique complexe de l’intestin adulte, et des pathologies qui lui sont liées.

Organogénèse mécanique de l’intestin

Les chercheurs du laboratoire MSC (N. Chevalier, A. Asnacios, A. Cornelissen, T-M. de Witte), en collaboration avec l’Institut Jacques Monod (V. Proux-Gillardeaux) et l’IMRB de Créteil (S. Dufour) ont découvert un nouveau mécanisme de croissance de l’intestin. La plupart des organes de l’embryon sont comprimés durant le développement car ils poussent dans un espace délimité par la peau du corps et au contact direct des organes voisins. Ces contraintes stériques affectent directement la forme des organes et leur assemblage tri-dimensionnel (figure ci-dessous, gauche).

On savait que l’intestin constituait un cas particulier : tôt durant l’embryogénèse, il forme une boucle unique qui sort par le conduit ombilicale, et croît donc pendant plusieurs semaines (de la 5ème à la 7ème) en-dehors du corps de l’embryon, dans le liquide amniotique. En prenant comme modèle l’embryon de poulet, les chercheurs ont découvert que la hernie physiologique a lieu car la boucle intestinale est tirée en dehors du corps de l’embryon au niveau de son attache avec le sac vitellin (le placenta). Ils ont mesuré cette tension et ont ensuite appliqué des forces similaires à des intestins embryonnaires en culture. Résultat spectaculaire : soumis à une tension mécanique, les intestins en culture croisent alors que les témoins non lestés se rétractent. Les chercheurs ont démontré que la croissance (figure ci-dessus, droite) est le résultat d’une prolifération cellulaire proportionnelle à la tension appliquée. La croissance par étirement de l’intestin du nouveau-né est considérée depuis plusieurs années comme remède au syndrome de l’intestin court (SBS). C’est toutefois la première fois qu’on montre qu’un mécanisme similaire pourrait être à l’œuvre dans l’embryon – et qui expliquerait en partie les dimensions extravagantes de cet organe : 7 m de long pour seulement quelques cm de diamètre !

Référence:

“Mechanical Tension Drives Elongational Growth of the Embryonic Gut”  N.R. Chevalier, T-M de Witte, A. Cornelissen, S. Dufour, V.Proux, A.Asnacios, Scientific Reports 8, 5995, 2018

https://www.nature.com/articles/s41598-018-24368-1

Un micro-karcher pour l’élastographie de matériaux mous

Dans ce projet, nous avons montré qu’un jet d’eau fin sous pression pouvait être utilisé pour indenter localement des gels et des matériaux biologiques et que le profil « vitesse du jet – aire d’indentation » permettait de remonter à l’élasticité locale du matériau. Cette méthode est particulièrement adaptée à l’élastographie de matériaux biologiques mous car la mesure se fait en immersion en milieu physiologique, et les pressions requises pour l’indentation sont facilement atteintes avec des pousse-seringues standards. L’absence de contact physique solide entre la micropipette et le matériau fait qu’on peut déduire des cartes d’élasticité par simple balayage en XY, sans cycle d’indentation en Z (comme c’est le cas en AFM par exemple). Une limitation actuelle concerne les propriétés optiques du matériau, qui doit être suffisamment translucide pour permettre d’imager l’indentation. Nous présentons en particulier :

  • L’appareillage simple nécessaire à ce type de mesure et comment réaliser sa calibration avec un ensemble de gels de références, ainsi que la qualification de la méthode par comparaison avec une mesure d’élasticité indépendante (rhéomètre à plateaux).
  • Les premiers calculs numériques fluide-structure par élément finis de ce type d’indentation. Ces calculs prennent en compte l’influence de l’hydrodynamique du jet sur la déformation du solide et réciproquement de la déformation du matériau sur l’hydrodynamique. Ils montrent notamment les formes des lignes de courant dans cette situation de « ressaut liquide sur matériau déformable ».
  • Les premières vues de profil de l’indentation de matériaux mous par un jet liquide; les formes des profils sont prédites quantitativement par les calculs fluide-structure et par des approximations analytiques.

Surprise intéressante, la cavité créée par la pression du jet oscille lorsque le débit du jet dépasse une certaine valeur, on parle d’instabilité, regardez:

 

Mesurer les propriétés mécaniques des organes embryonnaire

 La façon dont un tissu ou un organe va croître dans l’embryon est intimement relié à ses propriétés mécaniques: en proliférant (se démultipliant), les cellules exercent une pression sur le tissu environnant, qui va lentement se déformer et croître. Si on veut comprendre la forme des organes, il est donc important de  pouvoir mesurer ses propriétés mécaniques.  Ce qui n’est pas évident lorsque l’organe en question  fait 0.1 mm de diamètre et a la consistance d’une gelée molle. Cet article relate les méthodes que nous avons mises en place pour caractériser les propriétés biomécaniques de l’intestin embryonnaire.  Nous y présentons:

  • Les premières cartes d’élastographie par AFM (microscopie à force atomique) d’un tissu embryonnaire fraîchement disséqué. Outre le protocole, nous montrons que les contrastes d’élasticité au sein du tissu sont conservés après fixation chimique (en paraformaldéhyde) ce qui permet de réaliser des marquages immunofluorescents et donc de corréler l’élasticité avec le type cellulaire.
  • Un protocole de mise sous tension uniaxiale utilisant un levier en fibre de verre permettant d’appliquer des forces avec une résolution de 10 nanoNewton et de mesurer les modules élastiques du tissu.
  • Un protocole de canulation de l’intestin embryonnaire et de mise sous pression hydrostatique ou osmotique qui permet de mesurer le module élastique orthoradial de petits tissus cylindriques: intestin, artère, veine etc.

Schéma (a) et photographie (b) du banc de traction uniaxiale pour la mesure du module élastique (c) d’intestins embryonnaires. (d) Schéma et photographie (e) du dispositif de mise sous pression des intestins embryonnaires permettant de mesurer leur module élastique orthoradial. (f) Carte d’élasticité AFM (clair : raide, foncé : mou) d’un intestin embryonnaire fixé en formaldéhyde et mise en évidence de l’histologie de cette section par marquage  immunofluorescent (g, vert : neurone entérique, rouge : muscle lisse). 

Mesurer la friction entre deux cheveux : un nœud suffit

Une chevelure bien maîtrisée, c’est une chevelure bien caractérisée. Parmi les paramètres physiques du cheveu, son coefficient de friction propre est important car il joue sur la formabilité d’une coupe et la facilité avec laquelle elle se démêle : un des rôles essentiels d’un démêlant est justement de réduire ce coefficient de friction. Les méthodes jusqu’à présent développées par l’industrie des cosmétiques pour y avoir accès font intervenir des appareillages complexes, qui mesurent les forces générées lorsque deux fibres sont déplacées l’une au contact de l’autre.

Un chercheur du laboratoire Matière & Systèmes Complexes (N. Chevalier) propose une solution nouvelle et simple [1] : faites un nœud avec un cheveu, serrez-le mais pas trop, relâchez-le, regardez la boucle s’ouvrir et mesurez son rayon à l’équilibre. Le frottement entre les deux fibres dans la tresse du nœud empêche la boucle de s’ouvrir complètement : on peut donc remonter au coefficient de friction à partir de cette forme d’équilibre [2].   De manière remarquable la mesure est indépendante de l’élasticité du cheveu, car, bien que celle-ci entraîne  l’ouverture de la boucle,  elle la ralentit aussi en augmentant la pression (et donc le frottement) d’une fibre sur l’autre dans la tresse du nœud.

Le chercheur a d’abord validé quantitativement la méthode sur des fibres en nylon de coefficient de friction connu. Puis il montre que l’hydratation double le coefficient de friction du cheveu, car les écailles du cheveu gonflent et s’hérissent; le démêlant induit lui une baisse du frottement que la méthode permet de quantifier. Finalement il découvre que le produit actif des défrisants, la soude, cause une augmentation drastique de la friction. Outre les applications  de cette nouvelle méthode pour l’industrie cosmétique, les fibres traitées à la soude présentent des caractéristiques intéressantes: elles sont plus fines que les fils de sutures commerciaux, résistantes, biocompatibles et leur haute friction permet de réaliser des nœuds minuscules de haute tenue pour faire la ligature de micro-vaisseaux en chirurgie ou étanchéiser des organes embryonnaires en biologie du développement [3].

 

Références et download:

[1] “Hair-on-hair static friction coefficient can be determined by tying a knot”, N.R. Chevalier, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 159 (2017) 924-928

[2] “Elastic knots”, B. Audoly, N. Clauvelin, S. Neukirch, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 5–8.

[3] “Measuring the micromechanical properties of embryonic tissues.”, N.R. Chevalier, E. Gazquez, S. Dufour, V. Fleury,  Methods, 94, 128  (2016).