Méthodes expérimentales et numériques pour suivre l’organisation dynamique de cellules artérielles

Experimental and computational methods for monitoring of dynamic arterial cellular organization

• Auteur / Autrice : Olga Chashchina
• Direction : Abdul I. Barakat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 27/01/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Letourneur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdul I. Barakat, Anne-Virginie Salsac, Claude Verdier, Cécile Perrault, Angelo Pierangelo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Virginie Salsac, Claude Verdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses vasculaires

Maladies cardiovasculaires

Génie biomédical

Biophysique

Mots clés libres

Ingénierie biomédicale

Maladie cardiovasculaire

Artère artificielle

Dispositifs connectés

Biomedical engineering

Cardiovascular diseases

Artificial artery

Connected devices

Résumé

Suivre la prolifération, la migration et l'organisation cellulaires est important pour comprendre un large éventail de processus, notamment le développement d'organes, la cicatrisation et l'intégration de dispositifs médicaux. Etudier l'interaction entre les cellules et leur environnement promet d'améliorer notre compréhension des diverses pathologies, notamment des maladies cardiovasculaires et du cancer. Dans cette thèse, nous avons développé de nouveaux outils expérimentaux et numériques pour suivre les événements cellulaires majeurs en temps réel. Nous avons commencé par étudier la dynamique de la cicatrisation des cellules endothéliales (CE) en développant un modèle expérimental et un algorithme d'analyse d'image pour quantifier les taux de guérison de la blessure endothéliale en fonction de la rigidité du substrat, de la contrainte de cisaillement sur la surface cellulaire et de la présence de cellules musculaires lisses (CML). Nous avons montré que la guérison est plus rapide sur des substrats rigides que sur des surfaces molles, qu'elle est étonnamment plus lente sous contrainte de cisaillement que dans des conditions sans écoulement, et que les CML aux densités étudiées n'ont pas d'impact significatif sur son efficacité. Nous avons ensuite étudié comment la communication CE-CML pourrait affecter le phénotype des CML et leur activité contractile. En nous basant sur l'approche de polarimétrie de Mueller, nous avons confirmé que les CML remodèlent significativement l'hydrogel de collagène avec un effet plus prononcé en présence de CE. En général, nos résultats suggèrent que l'imagerie polarimétrique de Mueller est en effet un outil approprié pour évaluer l'activité des CML. Enfin, nous avons développé une imitation artérielle ''intelligente'' avec des capteurs d'impédance. La spectroscopie d'impédance couplée à des outils modernes d'apprentissage automatique nous a permis de prédire l'évolution de la densité cellulaire et de distinguer entre les CE et les CML en nous basant uniquement sur les mesures électriques. À notre connaissance, ce système est le premier exemple de l’artère in vitro ''connectée''. Nous pensons que notre travail, dans son intégralité, fournit des outils innovants pour suivre en temps réel des événements cellulaires majeurs et dont l’application à la cicatrisation de la couche endothéliale ou à la contractilité des CML montre comment ils peuvent être utilisés pour comprendre la fonction vasculaire.

Tracking cellular proliferation, migration, and organization is important for understanding a wide array of processes including organ development, wound healing, and the integration of implantable medical devices. Elucidating how cells interact and remodel their environment promises to enhance our comprehension of various pathologies including cardiovascular disease and cancer. In this thesis, we have developed a number of novel experimental and computational tools to track major cellular events in real time. We began by investigating the dynamics of endothelial cell (EC) wound healing as commonly occurs after an endovascular intervention. To this end, we developed an experimental model and an automated image analysis routine to quantify EC would healing rates as a function of substrate stiffness, wall shear stress, and the presence of smooth muscle cells (SMCs). We showed that EC wound healing is faster on rigid substrates than on soft surfaces, that it is surprisingly slower under shear stress than under no flow conditions, and that SMCs at the densities studied have no significant impact on EC wound healing efficiency. We then investigated how EC-SMC communication might impact SMC phenotype and contractile activity. To this aim we applied Mueller polarimetry approach and confirmed that SMC contraction leads to significant remodeling of the collagen hydrogel with even more pronounced effect in the presence of ECs. In general, our results suggest that Mueller polarimetric imaging is indeed an appropriate tool for assessing SMC activity. The final focus was on the development of a “smart” arterial mimic instrumented with impedance sensors. Impedance spectroscopy coupled with modern machine learning tools allowed us to predict the time evolution of EC and SMC density and to distinguish between ECs and SMCs based solely on the electrical impedance recordings. To our knowledge, this system is the first example of a “connected” arterial mimic. We believe that in its entirety, our work provides innovative tools for real-time dynamic monitoring of important cellular events, while their application to various scenarios including EC wound healing and SMC contractility demonstrate how they can be used to provide valuable insight into vascular function.