Développement d'un modèle mécanique et numérique de morphogenèse de tissus épithéliaux

par Yoann Chélin

Thèse de doctorat en Mécanique et Génie civil

Sous la direction de Bernard Maurin.


  • Résumé

    L'étude des formes de la nature, de leur diversité, de leur reproductibilité ainsi que de leurs origines a toujours suscité un vif intérêt et, en particulier, la forme polygonale des cellules au sein des épithéliums monocouches, depuis leur observation par Hooke en 1665. Le travail de thèse exposé à travers ce mémoire vise une meilleure compréhension de la morphogenèse de ces tissus. Pour y parvenir, trois approches ont été combinées : la biologie expérimentale du développement, l'analyse biostatistique et, principalement ici, la modélisation biomécanique et numérique. L'hypothèse d'une influence des efforts mécaniques dans l'organisation des épithéliums monocouches en formation a conduit au développement d'un modèle bidimensionnel de cellules, basé sur la physique des milieux divisés et permettant une plasticité de forme ainsi qu'une capacité de libre auto-organisation. Les simulations de morphogenèse de tissus constitués de ces cellules ont alors, d'une part, été confrontées aux observations et, d'autre part, permis de faire varier des paramètres difficilement accessibles expérimentalement, principalement ceux régissant l'évolution cellulaire ainsi que les conditions aux limites. Les résultats issus de ces simulations ont ainsi permis de corroborer ceux provenant des expérimentations : les tissus non prolifératifs sont plus organisés que les prolifératifs et l'apoptose semble jouer un rôle stabilisateur de la morphogenèse des épithéliums prolifératifs. En outre, les études numériques montrent que l'organisation des tissus non prolifératifs semble décroître quand leur vitesse de développement augmente. Par ailleurs, les tissus paraissent plus organisés avec une division et une apoptose contrôlées par des critères mécaniques plutôt que lorsque le système prolifère suivant des critères aléatoires. En conclusion, ce travail de thèse montre l'importance des interactions mécaniques dans le processus de morphogenèse épithéliale et représente une première base prometteuse pour des études futures en ce domaine (étude tridimensionnelle, structuration du cytosquelette, tissus hyperprolifératifs, etc.).

  • Titre traduit

    Numerical and mechanical modeling of epithelial tissues morphogenesis


  • Résumé

    The study of natural forms, their diversity, their reproducibility and their origin has always fascinated the scientists, and particularly the polygonal form of cells in monolayer epithelia, since their observation by Hooke in 1665. The present PhD work aims to better understand tissue morphogenesis. To do so, three approaches have been combined: experimental biology, biostatistical analysis and, mainly here, biomechanical and numerical modeling. The hypothesis of the influence of mechanical efforts on the organization of forming monolayer epithelia leads to the development of a 2D cell model based on the physics of divided media, that enables form plasticity and the ability of free auto-organization. The simulations of tissue morphogenesis composed by these cells have been compared to biological observations. Besides, this approach enables the variation of parameters hardly accessible by experiments, mainly those governing the cell evolution as well as boundary conditions. Thus, the results issued from these simulations corroborate experimental data: non-proliferative tissues appear more organized than proliferative ones and apoptosis seems to be a positive regulator in morphogenetic stability. Furthermore, numerical studies show that the organization of non-proliferative tissues seems to decrease as their development speeds increase. In addition, the tissues appear more organized if the proliferation is mechanically controlled than if it is randomly governed. To conclude, this PhD work shows the importance of mechanical interactions in epithelial morphogenesis and constitutes a first promising basis for further studies in this field (3D study, cytoskeleton structuration, hyperproliferative tissue, etc.).


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