Les cellules se déplacent lors de nombreux processus. Pour observer ces mouvements, une équipe internationale dirigée par le professeur Daan Vorselen (Wageningen UR) a développé des micro-particules d’hydrogel que l’on peut incuber avec les cellules. Cela permet de cartographier leurs déplacements en trois dimensions, ce qui n’était pas possible auparavant.

« Dans notre laboratoire, nous voulons comprendre le fonctionnement des processus immunitaires », explique Vorselen, bio-physicien de formation. Il utilise des stratégies chimiques pour évaluer la réponse des cellules immunitaires. « Nous examinons comment elles interagissent avec des cibles de différentes formes et tailles et comment cela influence leur comportement. » 

Ingérer

Le principe appliqué par Vorselen et ses collègues consiste à utiliser les hydrogels pour suivre les mouvements. « Dans le domaine de la biophysique, cette technique est surtout utilisée pour observer les cellules sur une surface plane. » On fabrique d’abord un hydrogel contenant des nanoparticules. Lorsque la cellule se déplace dessus, le gel se déforme et les nanoparticules bougent. À partir des propriétés mécaniques du gel, il est possible de calculer les forces et déplacements.

« Cette approche fonctionne aussi pour les cellules immunitaires », poursuit Vorselen. « Une cellule immunitaire ne peut pas simplement interagir avec une surface plane. Nous nous sommes demandé si cela ne pourrait pas fonctionner avec de petites billes. » 

Capteurs de force

La mise en œuvre a demandé de relever plusieurs défis. « Nous devions maîtriser la synthèse des micro-particules et la manière d’extraire les forces à partir des déformations », raconte Vorselen. Les extrêmes, particules de 100 µm et plus ou nanoparticules, sont assez simples à produire. « Nous voulions des particules de 10 µm ou moins, ce qui est plus complexe. » Grâce à un procédé d’émulsification et à une membrane microfluidique multicanaux fournie par SPG Technology, ils ont produit des milliards de billes uniformes.

Ces billes servent de capteurs de force. « Ce n’est pas une question chimique mais d’élasticité », précise Vorselen. « Si l’on comprime ou étire une bille, elle conserve pratiquement la même forme. Comment alors calculer les forces exercées uniquement à partir de la forme ? Nous avons collaboré avec des ingénieurs de Stanford, Yifan Wang et Wei Cai, pour trouver la solution. » 

Un coup de chance

Ils ont également bénéficié d’une avancée précieuse. Vorselen : « Il fallait déterminer la rigidité optimale pour que la bille se déforme correctement et puisse interagir avec la cellule immunitaire. Notre première estimation était parfaite. » Cela a accéléré le processus. 

Ce n’est qu’en observant les déformations au microscope que les chercheurs ont compris que la méthode fonctionnerait. « Jusqu’alors, c’était hypothétique. Cela s’appuie sur mon travail postdoctoral avec Julie Theriot à l’Université de Washington et il faut reproduire les résultats dans d’autres laboratoires. Nos doctorants Alvja Mali et Youri Peeters ont réussi, ce qui nous a permis de publier un protocole complet pour aider d’autres équipes. »

Cette technique permet de mesurer les forces parallèles à la surface et les forces normales, ce qui n’était pas accessible auparavant. Vorselen : « Nous observons que les cellules compressent les billes comme un serpent ou un cordage qui s’enroule. Ce comportement est inattendu et reste à expliquer. »

Biomarqueur

Les applications sont prometteuses. « Par exemple comme outil de criblage », indique Vorselen. « D’autres travaux ont montré que plus une cellule immunitaire exerce de force, plus elle est efficace pour détruire les cellules cancéreuses. La force pourrait servir de biomarqueur pour évaluer l’efficacité. »

Pour cela, il faudra augmenter la cadence. « Aujourd’hui, analyser une cellule prend un quart d’heure. Pour accélérer, il serait possible de simplifier certaines mesures et de collecter moins de détails afin d’obtenir des résultats plus rapides. »

Mali, A., Peeters, Y. et al. (2025) Nat Protoc, DOI: 10.1038/s41596-025-01281-2

Les cellules se déplacent lors de nombreux processus. Pour observer ces mouvements, une équipe internationale dirigée par le professeur Daan Vorselen (Wageningen UR) a développé des micro-particules d’hydrogel que l’on peut incuber avec les cellules. Cela permet de cartographier leurs déplacements en trois dimensions, ce qui n’était pas possible auparavant.

« Dans notre laboratoire, nous voulons comprendre le fonctionnement des processus immunitaires », explique Vorselen, bio-physicien de formation. Il utilise des stratégies chimiques pour évaluer la réponse des cellules immunitaires. « Nous examinons comment elles interagissent avec des cibles de différentes formes et tailles et comment cela influence leur comportement. »

Ingérer
Le principe appliqué par Vorselen et ses collègues consiste à utiliser les hydrogels pour suivre les mouvements. « Dans le domaine de la biophysique, cette technique est surtout utilisée pour observer les cellules sur une surface plane. » On fabrique d’abord un hydrogel contenant des nanoparticules. Lorsque la cellule se déplace dessus, le gel se déforme et les nanoparticules bougent. À partir des propriétés mécaniques du gel, il est possible de calculer les forces et déplacements.

« Cette approche fonctionne aussi pour les cellules immunitaires », poursuit Vorselen. « Une cellule immunitaire ne peut pas simplement interagir avec une surface plane. Nous nous sommes demandé si cela ne pourrait pas fonctionner avec de petites billes. »

Capteurs de force

La mise en œuvre a demandé de relever plusieurs défis. « Nous devions maîtriser la synthèse des micro-particules et la manière d’extraire les forces à partir des déformations », raconte Vorselen. Les extrêmes, particules de 100 µm et plus ou nanoparticules, sont assez simples à produire. « Nous voulions des particules de 10 µm ou moins, ce qui est plus complexe. » Grâce à un procédé d’émulsification et à une membrane microfluidique multicanaux fournie par SPG Technology, ils ont produit des milliards de billes uniformes.

Ces billes servent de capteurs de force. « Ce n’est pas une question chimique mais d’élasticité », précise Vorselen. « Si l’on comprime ou étire une bille, elle conserve pratiquement la même forme. Comment alors calculer les forces exercées uniquement à partir de la forme ? Nous avons collaboré avec des ingénieurs de Stanford, Yifan Wang et Wei Cai, pour trouver la solution. »

Un coup de chance

Ils ont également bénéficié d’une avancée précieuse. Vorselen : « Il fallait déterminer la rigidité optimale pour que la bille se déforme correctement et puisse interagir avec la cellule immunitaire. Notre première estimation était parfaite. » Cela a accéléré le processus.

Ce n’est qu’en observant les déformations au microscope que les chercheurs ont compris que la méthode fonctionnerait. « Jusqu’alors, c’était hypothétique. Cela s’appuie sur mon travail postdoctoral avec Julie Theriot à l’Université de Washington et il faut reproduire les résultats dans d’autres laboratoires. Nos doctorants Alvja Mali et Youri Peeters ont réussi, ce qui nous a permis de publier un protocole complet pour aider d’autres équipes. »

Cette technique permet de mesurer les forces parallèles à la surface et les forces normales, ce qui n’était pas accessible auparavant. Vorselen : « Nous observons que les cellules compressent les billes comme un serpent ou un cordage qui s’enroule. Ce comportement est inattendu et reste à expliquer. »

Biomarqueur
Les applications sont prometteuses. « Par exemple comme outil de criblage », indique Vorselen. « D’autres travaux ont montré que plus une cellule immunitaire exerce de force, plus elle est efficace pour détruire les cellules cancéreuses. La force pourrait servir de biomarqueur pour évaluer l’efficacité. »

Pour cela, il faudra augmenter la cadence. « Aujourd’hui, analyser une cellule prend un quart d’heure. Pour accélérer, il serait possible de simplifier certaines mesures et de collecter moins de détails afin d’obtenir des résultats plus rapides. »

Mali, A., Peeters, Y. et al. (2025) Nat Protoc, DOI: 10.1038/s41596-025-01281-2