[PENDING] La morphogenèse gastrovasculaire de la méduse Aurelia aurita

La méduse, un modèle biologique pour l'étude de la morphogenèse des systèmes connectés chez le vivant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la morphogenèse d'une structure ramifiée particulière : le réseau gastrovasculaire de la méduse Aurelia aurita.

La méduse Aurelia aurita

Les cnidaires

Les méduses adultes se reproduisent sexuellement : les mâles libèrent leur sperme dans l'eau ; les femelles gardent leurs œufs dans leur estomac et absorbent le sperme transporté par les courants océaniques. Ainsi, de nombreuses espèces de cnidaires peuvent se reproduire aussi bien de manière asexuée sous forme de polype que sexuellement sous forme de méduse.

Aurelia aurita : anatomie, physiologie

• Aurelia aurita
• Anatomie de la méduse Aurelia aurita
• Physiologie de la méduse Aurelia aurita
• Fonctions de relation
• Fonctions de nutrition
• Fonctions de reproduction

Ces rapaces, généralement au nombre de huit, sont situés autour du bord de l'ombelle de la méduse. Les organes sensoriels permettent aux méduses de détecter la direction de la gravité et de s'orienter en fonction de celle-ci.

Élevage des méduses Aurelia aurita au laboratoire

• Aquariums
• Paramètres à contrôler
• Qualité de l’eau
• Courant
• Strobilation et temps de séjour dans les aquariums
• Nourrissage

Le premier, représenté par des flèches vertes, permet de filtrer et de refroidir l'eau. Plusieurs paramètres devront notamment être vérifiés, à savoir la qualité de l'eau de mer artificielle et le courant.

Le système gastrovasculaire de la méduse Aurelia aurita

• Présentation du réseau de canaux du système gastrovasculaire
• Le système de canaux
• Les canaux et l’endoderme
• Les étapes de la croissance des canaux
• De l’éphyrule à la méduse
• Croissance des canaux de la méduse
• Croissance des canaux dans l’endoderme

40 Figure 1.23 – Schéma de l'organisation canalaire du système gastrovasculaire de la méduse Aurelia aurita (extrait de [133]). La figure suivante montre schématiquement les différents stades de croissance des canaux depuis l'éphirula jusqu'à la méduse [133] (figure 1.27).

La mésoglée

Introduction

• La matrice extracellulaire
• Composition et rôle de la mésoglée
• Présentation de notre étude de la mésoglée

Nous avons donc tenté de mesurer les propriétés mécaniques de la matrice extracellulaire, et de visualiser son organisation. 54 Nous présenterons d'abord nos expériences de visualisation de la structure et de l'organisation de la mésoglée.

Structure de la mésoglée

• Observation par microscopie à contraste interférentiel différentiel des fibres larges
• La microscopie à contraste interférentiel différentiel
• Protocole
• Observations
• Observation par microscopie électronique à balayage des fibres fines
• Protocole
• Observations

58 Figure 2.4 – Visualisation de l'organisation large des fibres de la mésoglée d'Aurelia aurita par microscopie à contraste interférentiel différentiel. Nous présenterons dans un premier temps le protocole suivi, puis les observations de fibres fines de mésoglée par microscopie électronique à balayage (MEB).

Propriétés mécaniques macroscopiques de la mésoglée

• La rhéologie, le rhéomètre
• Quelques rappels de rhéologie
• Le rhéomètre
• Protocole
• Résultats

Nous avons mesuré les propriétés mécaniques de la mésoglée de la méduse adulte Aurelia aurita à géométrie planaire. La figure 2.9 montre les mesures de ' et ' en fonction de la déformation obtenues pour différentes tranches de mésoglée à une fréquence d'oscillation de 1 Hz.

Propriétés mécaniques microscopiques de la mésoglée

• La microrhéologie
• Principe et utilisations
• Théorie sous-jacente
• Protocole
• Injection
• Observations
• Analyse
• Résolution spatiale du montage expérimental
• Résultats
• Méduses juvéniles
• Méduses adultes
• Modules viscoélastiques aux échelles macroscopiques et microscopiques
• Limites de la technique et contrôles réalisés
• Limite de la technique de microrhéologie
• Expériences de microrhéologie avec des billes de polystyrène
• Expériences de microrhéologie dans des morceaux de méduses juvéniles
• Résumé des résultats

Le mouvement des microsphères dans un liquide visqueux peut être décrit par l'équation de Langevin. À partir de l’équation 2.11, nous pouvons comprendre l’expression de la vitesse quadratique moyenne en fonction du temps >∆7 %. On peut maintenant exprimer le déplacement carré moyen de la sphère en fonction de la viscosité et de la température.

La fonction d'autocorrélation de vitesse peut être exprimée en fonction du déplacement quadratique moyen > ∆B %. Le comportement de la loi de puissance est déterminé à partir de la dérivée temporelle du déplacement quadratique moyen en échelle logarithmique. Cependant, la matrice extracellulaire des méduses constitue un environnement très hétérogène, comme le montre la diversité des courbes de déplacement quadratique moyen (Figure 2.20).

Interprétation des résultats

• Interprétations des propriétés mécaniques de la mésoglée en lien avec sa structure
• La mésoglée et les gels de collagène
• La mésoglée aux échelles macroscopiques et microscopiques
• Nage de la méduse, et propriétés mécaniques de la mésoglée
• Vieillissement de la mésoglée
• Rôle de la mésoglée dans la croissance des canaux

Dans un premier temps, nous montrerons que les propriétés mécaniques de la mésoglie sont très similaires à celles du gel de collagène en raison de sa structure fibreuse. Nous avons également mesuré une dispersion significative des propriétés mécaniques de la mésoglée à l'échelle microscopique (Figure 2.21). Les propriétés mécaniques de la mésoglée sont liées à son architecture fibreuse, tant à l'échelle macroscopique que microscopique.

Nous avons vu que le réseau fibreux de la mésoglée d'Aurelia aurita est traversé par de larges fibres verticales entourées d'un réseau tridimensionnel de fibres fines (sections 2.2.1.3. et 2.2.2.2.). Nous en déduisons que ce durcissement progressif de la matrice extracellulaire, qui se produit à l'échelle microscopique, reflète le vieillissement de la mésoglée. Étant donné que les processus de migration cellulaire et de morphogenèse se produisent à l’échelle microscopique, nous devons considérer les propriétés mécaniques locales de la matrice extracellulaire à l’échelle micrométrique.

L’endoderme et les canaux

Structure de l’endoderme et de la jonction canal/endoderme

• Visualisation in vivo par microscopie à fluorescence
• Protocole
• Résultats
• Visualisation in vivo par microscopie à contraste interférentiel différentiel
• Protocole
• Résultats
• Visualisation de coupes histologiques
• Principe
• Protocole
• Résultats
• Visualisation par microscopie électronique à balayage
• Protocole
• Résultats
• Visualisation par microscopie électronique à transmission
• Principe
• Protocole
• Résultats

La figure 3.2 B est une visualisation des noyaux des cellules de l'endoderme et d'un canal, étiquetés au DAPI. La figure 3.9 montre une vue d'une coupe du canal circulaire, de l'endoderme et de la jonction entre le canal et l'endoderme. La figure 3.12 A montre une image d'une cellule d'endoderme, loin de l'extrémité d'un canal de croissance.

La figure 3.12 B montre une image de l'endoderme près de la paroi d'un canal en croissance, loin de l'extrémité du canal. 119 La figure 3.13 montre une image de l'endoderme près de la paroi d'un canal de croissance, loin de la pointe. La figure 3.14 montre une image de l'endoderme près de l'extrémité d'un canal de croissance.

Croissance des canaux dans l’endoderme

• Visualisation in vivo de la croissance d’un canal
• Protocole
• Résultats
• Visualisation in vivo de l’apparition d’un canal au milieu de l’endoderme
• Protocole
• Résultats
• Processus de croissance d’un canal dans l’endoderme
• Divisions cellulaires
• Protocole
• Résultats

Nous avons également observé que localement, près de l’extrémité d’un canal de croissance, les cellules de l’endoderme se superposent. Nous présenterons ensuite les résultats du suivi de l'apparition d'un canal au centre de l'endoderme. Cette dernière hypothèse impliquerait que les cellules de l'endoderme puissent se différencier en cellules canalaires.

Nous avons visualisé l'apparition et la croissance du canal au milieu de l'endoderme chez douze méduses juvéniles. 134 Figure 3.26 – Visualisation en microscopie à contraste interférentiel différentiel de l'apparition et de la croissance au fil du temps d'un canal au milieu de l'endoderme. Cela indique que le nombre de cellules de l’endoderme à proximité est plus important à l’extrémité du canal de croissance qu’ailleurs.

Conclusion

Si tel est le cas, les divisions cellulaires nécessaires à la croissance d’un canal dans l’endoderme seront en partie réalisées par les cellules canalaires.

Rôle des contractions musculaires dans la croissance des canaux

Des tissus soumis à des contraintes musculaires

• Structure des muscles et contractions musculaires
• Propriétés viscoélastiques des tissus
• L’endoderme
• L’endoderme et la mésoglée
• Déformations induites lors des contractions
• Protocole
• Résultats

Dans le paragraphe suivant nous présenterons les propriétés mécaniques de l'endoderme noyé dans la mésoglée. Si les propriétés mécaniques de la mésoglée ont été mesurées quantitativement localement par des expériences microrhéologiques, nous avons évalué qualitativement les propriétés mécaniques de l'endoderme. La déformation de l'endoderme est visualisée au microscope et filmée par une caméra CCD haute résolution (Andor, iXon3 885).

Nous avons visualisé des déformations tissulaires au bord du parapluie chez sept méduses juvéniles. La figure 4.6 montre une image du bord de l'ombelle d'une méduse juvénile, au repos (figure 4.6 A) et pendant la contraction musculaire (figure 4.6 B). Cette pointe est en grande partie parallèle au bord du parapluie méduse, c'est-à-dire dans le sens transversal (perpendiculaire à la poutre).

Répartition des contraintes : modélisation par éléments finis

• Principe
• Modèle
• Résultats

155 Nous avons modélisé en deux dimensions un morceau du bord du parapluie d'une jeune méduse. Il semble donc raisonnable de fixer la valeur du module d’Young de l’endoderme autour de 100 Pa. Par conséquent, comme le montre schématiquement la figure 4.12, nous modélisons la contraction musculaire en réduisant la surface de la tranche en parapluie. , ce qui correspond à une réduction du diamètre du parapluie.

A droite, le schéma du parapluie en contraction (en noir), superposé à celui du parapluie au repos (en gris). Les contraintes de von Mises, obtenues en combinant ces différentes contraintes, donnent une représentation scalaire satisfaisante de la répartition des contraintes dans l'endoderme. La figure ci-dessous (figure 4.14) montre le résultat de la répartition des contraintes dans l'endoderme résultant de la contraction musculaire de la tranche en parapluie à motifs.

Application extérieure de contraintes

• Principe de l’expérience et matériel expérimental
• Protocole
• Résultats

161 est immergée dans un bloc d'agarose réalisé avec la solution anesthésique (chlorure de magnésium dans de l'eau de mer artificielle) afin que les méduses restent immobiles pendant toute la durée de l'expérience (une nuit). Comme nous l'avons mentionné dans la section 4.1.1., lors d'une contraction musculaire, le diamètre du parapluie de la méduse a été réduit d'environ dix pour cent. Le bloc d'agarose (visible sur la photo) est inséré entre les deux plaques de l'appareil.

La partie immergée du dispositif de compression est constituée de matériaux résistants à l'eau de mer (plastique et acier inoxydable). Après avoir été refroidi à 15°C, le bloc d'agarose est placé entre les deux plateaux de l'appareil de compression. Visualisation au microscope binoculaire (A et B) et microscopie à contraste interférentiel différentiel à l'aide de l'objectif 10X (C et D).

Conclusion et perspectives du chapitre

• Conclusion : un processus d’auto-organisation
• Perspectives : vers un modèle de croissance

La figure 4.26 montre le pincement de l'extrémité du canal de croissance près du centre du parapluie. Il serait également intéressant de visualiser en microscopie électronique à transmission la structure des cellules de l'endoderme dans les zones comprimées et de la comparer avec les cellules situées à l'extrémité du canal de croissance. D'un point de vue dynamique, la croissance du tubule dans l'endoderme a été suivie in vivo par microscopie à contraste interférentiel différentiel, ainsi que l'apparition d'un morceau de tubule au milieu de l'endoderme.

Nous avons également présenté une expérience simple permettant une mesure qualitative des propriétés mécaniques de l'endoderme. Nous avons observé que les contraintes de compression sont maximales à l'extrémité d'un canal de croissance, là où, comme nous l'avons expliqué dans le troisième chapitre, les cellules de l'endoderme s'empilent les unes sur les autres et se différencient en cellules du canal. Nous avons ensuite cherché à déterminer si la contrainte de compression dans l'endoderme induite par les contractions musculaires ne favorisait pas l'empilement et la différenciation des cellules de l'endoderme, permettant la croissance d'un canal.

Techniques de visualisation

Ces rayons sont ensuite focalisés sur l'échantillon à l'aide de la lentille condensatrice, puis le traversent, traversent des points adjacents, séparés par une distance de l'ordre de la résolution du microscope, de l'ordre de 0,2 µm. De nombreuses paires de rayons lumineux, polarisés à 0° et 90°, traversent des paires de points adjacents sur l'échantillon. Ainsi, les rayons lumineux polarisés à 0° et 90° donnent des images identiques de l'échantillon, mais légèrement décalées les unes par rapport aux autres.

Cela est dû à la continuité de l'épaisseur et de l'indice de réfraction de la plupart des échantillons. La résolution d'un microscope optique est de l'ordre de 200 nm, tandis que celle d'un microscope électronique est de l'ordre de 1 nm. Chaque point d'impact correspond à un signal électrique dont l'intensité dépend à la fois de la nature de l'échantillon et de sa topographie en chaque point.

Article

ABSTRACT Mechanical properties of the extracellular matrix (ECM) play a key role in tissue organization and morphogenesis. Rheological properties of jellyfish ECM (mesoglea) were measured in vivo at a cellular scale by passive microrheology techniques: microbeads were injected into jellyfish ECM and their Brownian motion was recorded to determine the mechanical properties of the surrounding medium. Furthermore, the evolution of the mechanical properties of the ECM during aging was investigated by measuring microrheological properties at different jellyfish sizes.

Thus, the mechanical and viscoelastic properties of the ECM play a key role in cell behavior, tissue organization, morphogenesis, and development (1–5). Of particular interest in our quest to understand the morphogenesis of the jellyfish endodermal gastrovascular system are the architecture and mechanical properties of the ECM (mesoglia) surrounding this tissue. Jellyfish are particularly suitable for studying the in vivo mechanical properties of the ECM.