Mécano-biologie des tissus hétérogènes par changement d'échelles : application à l'ostéosarcome

Mechano-biology of heterogeneous tissues using upscaling methods : application to osteoarcoma

• Auteur / Autrice : Adel Moreno
• Direction : Pascal Swider, Pauline Assemat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 01/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Gomez-Brouchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Swider, Pauline Assemat, Anne Gomez-Brouchet, Benoît Nœtinger, Pascale Royer, Aurélie Dutour, Natacha Entz-Werlé, Michel Quintard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Nœtinger, Pascale Royer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanobiologie

Recherche

Écoulement en milieux poreux

Ostéosarcome

Mots clés libres

Coupes histologiques

Cancer de l'os

Changement d'échelles numérique

Transport

Mécanique structurelle

Poromécanique

Histological sections

Bone cancer

Numerical homogenization

Transport

Structural mechanics

Poromechanics

Résumé

L’ostéosarcome est une tumeur osseuse primitive qui survient principalement chez les adolescents et les jeunes adultes. Le taux de survie à 5 ans est de 70% et chute à 25% pour les patients présentant des métastases ou ne répondant pas aux traitements. De nouveaux développements sont nécessaires pour améliorer la prise en charge spécifique des patients. Ce type de tumeurs présente de fortes hétérogénéités spatiales dans la micro-architecture osseuse, dans la distribution des populations cellulaires mais aussi dans la réponse au traitement. A l’échelle tissulaire et du point de vue de la biophysique, l’ostéosarcome peut être considéré comme un milieu poreux fortement hétérogène et nous supposons que l’ostéosarcome est sensible aux effets mécaniques lors de sa formation et de son évolution. Nous proposons une méthode de changement d’échelles pour caractériser les propriétés mécaniques de tels milieux poreux. La méthode s’appuie sur une approche séquentielle "grid-block" combinée à une méthode "extend-local". La méthodologie est adaptée à des images de grandes tailles et notamment aux images binaires de coupes histologiques d’ostéosarcomes obtenues en routine clinique. Des modèles d’écoulement, de diffusion, d’élasticité et de poroélasticité sont étudiés. Les paramètres équivalents, constants par morceaux, de type perméabilités tissulaires et coefficients de raideurs tissulaires sont déterminés avec fiabilité. Plusieurs résultats méthodologiques ont été obtenus tels que les inégalités portant sur les paramètres équivalents en fonction des conditions aux limites imposées sur les éléments du "grid-block" ou la caractérisation du rôle des méthodes "extendlocal" dans le calcul des paramètres de raideur. Dans une étude clinique préliminaire, des relations entre les propriétés mécaniques tissulaires et les paramètres cellulaires sont données. Une cohorte réduite de patients montre que la réponse au traitement peut être corrélée à l’architecture du micro-environnement et à ses propriétés mécaniques. Ceci pourrait soutenir la recherche de marqueurs mécanobiologiques pour le suivi de la réponse au traitement chez les patients atteints d’ostéosarcome.

Osteosarcoma is a primary bone tumour that occurs mainly in adolescents and young adults. The survival rate at 5 years is 70% and drops to 25% for patients with metastases or poor responders to treatment. New developments are needed to improve the specific management of patients. These tumours show strong spatial heterogeneities in bone micro-architecture, in cell populations distribution but also in the response to treatment. At the tissue scale and from a biophysical point of view, osteosarcoma can be classified as a strongly heterogeneous porous medium with mechanical stimuli potentially playing a significant role in its formation and evolution. We propose a consistent upscaling method to characterize the mechanical properties of such a highly heterogenous porous media. It is based upon a sequential grid-block approach combined to an extend-local method. The methodology is adapted to large size binarized images and especially histological slices obtained in clinical routines. Flow and diffusive models are explored as well as elastic and poroelastic behaviors. Piece-wise constant equivalent parameters such as tissular permeabilities and stiffness coefficients are determined with reliability. Several methodological results are emphasized in this thesis such as the identification of robust equivalent parameters inequalities depending on the grid-block elements boundary conditions or the evaluation of extendlocal methods use in stiffness parameters calculations. In a preliminary clinical study, relationships between tissular mechanical properties and cellular populations are emerging. On the cohort of patients investigated, it is shown that the response to treatment can be correlated to microenvironment architecture and equivalent tissue properties. These results support the search for mechanobiological markers of chemotherapy response for osteosarcoma patients.