Équation de réaction-diffusion avec advection non-linéaire et non-locale appliquée à la co-culture cellulaire

Reaction-diffusion Equations with Nonlinear and Nonlocal Advection Applied to Cell Co-culture

• Auteur / Autrice : Xiaoming Fu
• Direction : Pierre Magal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées et calcul scientifique
• Date : Soutenance le 19/11/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Jacques Demongeot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Magal, Glenn Webb, Arnaud Ducrot, Quentin Griette, Vincent Calvez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Glenn Webb, Alain Miranville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations différentielles paraboliques

Modèles mathématiques

Cultures cellulaires

Équations de réaction-diffusion

Mots clés libres

Diffusion non-Locale et non-Linéaire

Equation hyperbolique de Keller-Segel

Ségrégation

Bifurcation de Turing-Hopf

Co-Culture cellulaire

Nonlocal and nonlinear diffusion

Hyperbolic Keller-Segel equation

Segregation

Turing-Hopf bifurcation

Cell co-Culture

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude d’une classe d’équations de réaction-diffusion avec advection non-locale. La motivation vient du mouvement cellulaire avec le phénomène de ségrégation observé dans des expérimentations de co-culture cellulaire. La première partie de la thèse développe principalement le cadre théorique de notre modèle, à savoir le caractère bien posé du problème et le comportement asymptotique des solutions dans les cas d'une ou plusieurs espèces.Dans le Chapitre 1, nous montrons qu'une équation scalaire avec un noyau non-local ayant la forme d'une fonction étagée, peut induire des bifurcations de Turing et de Turing-Hopf avec le nombre d’ondes dominant aussi grand que souhaité. Nous montrons que les propriétés de bifurcation de l'état stable homogène sont intimement liées aux coefficients de Fourier du noyau non-local.Dans le Chapitre 2, nous étudions un modèle d'advection non-local à deux espèces avec inhibition de contact lorsque la viscosité est égale à zéro. En employant la notion de solution intégrée le long des caractéristiques, nous pouvons rigoureusement démontrer le caractère bien posé du problème ainsi que la propriété de ségrégation d'un tel système. Par ailleurs, dans le cadre de la théorie des mesures de Young, nous étudions le comportement asymptotique des solutions. D'un point de vue numérique, nous constatons que sous l'effet de la ségrégation, le modèle d'advection non-locale admet un principe d'exclusion.Dans le dernier Chapitre de la thèse, nous nous intéressons à l'application de nos modèles aux expérimentations de co-culture cellulaire. Pour cela, nous choisissons un modèle hyperbolique de Keller-Segel sur un domaine borné. En utilisant les données expérimentales, nous simulons un processus de croissance cellulaire durant 6 jours dans une boîte de pétri circulaire et nous discutons de l’impact de la propriété de ségrégation et des distributions initiales sur les proportions de la population finale.

This thesis is devoted to the study for a class of reaction-diffusion equations with nonlocal advection. The motivation comes from the cell movement with segregation phenomenon observed in cell co-culture experiments. The first part of the thesis mainly develops the theoretical framework of our model, namely the well-posedness and asymptotic behavior of solutions in both single-species and multi-species cases.In Chapter 1, we show a single scalar equation with a step function kernel may display Turing and Turing-Hopf bifurcations with the dominant wavenumber as large as we want. We find the bifurcation properties of the homogeneous steady state is closed related to the Fourier coefficients of the nonlocal kernel.In Chapter 2, we study a two-species nonlocal advection model with contact inhibition when the viscosity equals zero. By employing the notion of the solution integrated along the characteristics, we rigorously prove the well-posedness and segregation property of such a hyperbolic nonlocal advection system. Besides, under the framework of Young measure theory, we investigate the asymptotic behavior of solutions. From a numerical perspective, we find that under the effect of segregation, the nonlocal advection model admits a competitive exclusion principle.In the last Chapter, we are interested in applying our models to a cell co-culturing experiment. To that aim, we choose a hyperbolic Keller-Segel model on a bounded domain. By utilizing the experimental data, we simulate a 6-day process of cell growth in a circular petri dish and discuss the impact of both the segregation property and initial distributions on the finial population proportions.