For a long time, cells have not been receiving the credit they deserve and have been treated only as ‘the smallest building block of life’. They are not just passive inert materials, but rather are complex beings that can move around and generate as well as respond to forces within their small environment. Furthermore, they can also come together and combine their forces in order to form a stronger whole as a tissue. Advances in technology have recently enabled researchers to build realistic cellular microenvironments that stimulate cells to behave as they would in the body. However, it remains equally important to also develop the necessary tools to study their mechanical behavior in order to understand how and why they generate mechanical forces within these environments. In this thesis, I attempt to quantify the forces produced by cells and tissues by building controlled environments and using computational tools. First, I ran finite element simulations to model the tissue retraction process in an injured collagen microtissue and learned that wounding establishes a long-lasting significant hoop stress around the wound edge, which we believe promotes future closure of the tissue lesion. Second, I fabricated soft compliant polyacrylamide and collagen substrates, and modified an existing traction force microscopy procedure to measure traction stresses established by adherent single cells and multicellular colonies on these matrices. Using the synthetic substrates, I measured the forces created in placenta-derived BeWo cell colonies and hypothesized that the more defined stress profile established in the smaller colony promotes BeWo cell fusion into a syncytium. Traction forces of fibroblasts seeded on collagen gels with and without neutrophil extracellular traps were also estimated, and these results suggest that neutrophil extracellular traps bind to the collagen network, stiffen the matrix locally and drive increased force generation by the cells. Last, I developed the computational pipeline necessary to analyze the deformation of microspherical stress gauges (MSGs) and computed the stresses established within multicellular spheroids from experimental deformation data obtained by my colleagues. Using this pipeline, we determined that a thin layer of cells at the spheroid edge is kept under tension and drives outside-in contraction, producing the large compressive stresses maintained within the spheroids

Pendant longtemps, les cellules on était vue juste comme «les plus petits éléments constitutif du vivant». Cependant, elles ne sont pas seulement des matériaux inertes passifs, mais plutôt des êtres complexes qui peuvent se déplacer et générer ainsi que répondre aux forces dans leur petit environnement. En outre, ils peuvent également se rassembler et combiner leurs forces afin de former un tout plus fort en tant que tissu. Les progrès technologiques ont récemment permis aux chercheurs de créer des micro-environnements cellulaires réalistes qui stimulent les cellules à se comporter comme elles le feraient dans le corps. Cependant, il reste tout aussi important de développer également les outils nécessaires pour étudier leur comportement mécanique afin de comprendre comment et pourquoi ils génèrent des forces mécaniques dans ces environnements. Dans cette thèse, j'essaie de quantifier les forces produites par les cellules et les tissus en construisant des environnements précis et en utilisant des outils computationnels. Tout d'abord, j'ai effectué des simulations par la méthode des éléments finis pour modéliser le processus de rétraction tissulaire dans un microtissu de collagène blessé et j'ai appris que la blessure établit une tension tangentielle importante et durable à l’entour de la plaie circulaire, ce qui, selon nous, favorise la fermeture future de la lésion tissulaire. Deuxièmement, j'ai fabriqué des substrats de polyacrylamide et de collagène souples, et j'ai modifié une procédure de microscopie de force de traction («traction force microscopy») existante afin de mesurer les forces établies par les cellules monocellulaires adhérentes et les colonies multicellulaires sur ces matrices. En utilisant les substrats synthétiques, j'ai mesuré les forces créées dans les colonies de cellules BeWo, dérives du placenta, et j'ai émis l'hypothèse que le profil de traction plus défini établi dans la petite colonie favorise la fusion des cellules BeWo en un syncytium. Les forces de traction des fibroblastes ensemencés sur des gels de collagène avec et sans filets de neutrophiles («neutrophil extracellular traps») ont aussi été estimées, et ces résultats suggèrent que les filets s’attachent au réseau de collagène, le rigidifient localement et pousse les cellules à générer des forces plus élevées. Enfin, j'ai développé la procédure de calcul nécessaire pour analyser la déformation des jauges mécaniques microsphériques et calculé les forces établies au sein des sphéroïdes multicellulaires à partir des données de déformation expérimentales obtenues par mes collègues. Nous avons déterminé qu'une fine couche de cellules au bord des sphéroïdes est maintenue sous tension et cause une contraction qui oppose les forces de compression maintenues à l'intérieur des sphéroïdes