Modèles numériques pour l'étude in vitro de la synapse immunologique B : de l'optimisation d'un système de capture microfluidique à l'estimation des forces de contact

Numerical models for in vitro study of B cell immune synapse : microfluidic trap array optimization and contact force estimation

• Auteur / Autrice : Nicolas Ruyssen
• Direction : Rachele Allena
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Paris ; 2013-....) - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak / IBHGC
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Charles Baroud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachele Allena, Emmanuèle Helfer, Claude Verdier, Jacques Fattaccioli, Marie-Caroline Jullien
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuèle Helfer, Claude Verdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules tumorales circulantes

Thèses et écrits académiques

Biomécanique

Mots clés libres

Microfluidique

Mécanique cellulaire

Modélisation numérique

Piègeage

Microfluidic

Cell mechanics

Numerical modeling

Trapping

Résumé

La réaction immunitaire adaptative est un phénomène crucial pour la survie des organismes pluricellulaires en réponse à l’invasion par des agents infectieux ou la prolifération de cellules tumorales. L’enclenchement de ce processus passe par la formation de synapse immunologique B qui est la jonction pouvant apparaître entre un lymphocyte B et une cellule présentatrice d’antigènes (CPA). Cependant, ce phénomène n’est pas totalement élucidé aujourd’hui notamment parce qu’il implique une grande quantité de phénomènes physico-chimiques et mécaniques complexes. Pour étudier la synapse immunologique en laboratoire, il est nécessaire de pouvoir isoler un grand nombre de lymphocytes et de CPA dans l’espace sur des durées contrôlables. La microfluidique peut aujourd’hui répondre à cette demande en utilisant des réseaux de pièges microfluidiques, chaque piège pouvant isoler un lymphocyte et une CPA. De plus, pour focaliser l’étude sur le comportement du lymphocyte, des substituts artificiels aux CPA ont été proposés dans la littérature. Le substrat biomimétique actuellement le plus prometteur est la goutte fonctionnalisée par antigènes car elle : (i) a une forme ronde, (ii) permet la mobilité des antigènes à sa surface et (iii) peut-être rendue déformable. L’équipe de Jacques Fattaccioli à l’Institut Pierre-Gilles de Gennes a pu développer un système de capture microfluidique de gouttes appariées avec des lymphocytes B. Mais, certains verrous persistent : peu de pièges sont remplis, on ne sait pas quelle pression appliquer au fluide pour être représentatif de l’in vivo et l’estimation des forces de contact dans la synapse conduit à un ordre de grandeur trop élevé en comparaison aux mesures effectuées dans la littérature sur des lymphocytes T. L’approche par simulation numérique pourrait apporter une solution à ces différents problèmes. Dans cette thèse plusieurs modèles numériques sont développés dans cet objectif. Un premier modèle hydrodynamique considérant les objets à capturer comme des particules est formulé et a permis de retrouver des résultats expérimentaux précédents : décaler les canaux d’entrée et de sortie conduit à une nette amélioration du remplissage via un écoulement oblique. Ce phénomène ne peut être expliqué sans une analyse particulière des lignes de courant et l’introduction de particules dans la simulation. La correspondance entre les simulations et les expériences nous a encouragé à effectuer une étude d’optimisation du système microfluidique, ce qui nous a permis de montrer qu’il existe un écoulement oblique optimisé maximisant la capture. Nos résultats suggèrent que l’optimisation de système de capture microfluidique à réseau de pièges 2D dense n’est pas intuitif et ne peut être assuré par une approche purement expérimentale. Nous pensons qu’un mécanisme clef favorisant la capture des objets est la brisure de symétrie de l’écoulement, c’est pourquoi nous étudions l’effet de l’introduction de désordre dans le réseau de piège sans générer d’écoulement oblique, ce qui nous a amené à des résultats assez semblables en termes de capture. Cependant, un réseau de pièges désordonné conserve son efficacité de remplissage en fonction du nombre de pièges ce qui suggère un intérêt particulier des écoulements désordonnés pour les très grands réseaux de pièges. Pour l’estimation des forces de contact impliquées dans la formation de la synapse immunologique B, un modèle prenant en compte le contact, l’adhésion spécifique entre antigènes et récepteurs et la polymérisation d’actine est développé. Nos résultats ont montré que pour obtenir une surface de contact comparable aux expériences, la force de contact doit effectivement être de l’ordre de la dizaine de nN, ce qui semble valider le protocole expérimental mis en place par Pinon et al. En revanche ce résultat est très sensible à la taille du noyau du lymphocyte, ce qui semblerait indiquer que les pathologiques impliquant un grossissement du noyau comme certains lymphomes.

Adaptive immune response is a crucial phenomenon for the survival of pluricellular organisms in response to invasion by infectious agents or proliferation of tumor cells. The initiation of this process involves the formation of immunological synapse B which is the junction that can appear between a B lymphocyte and an antigen presenting cell (CPA). However, this phenomenon is not fully understood today in particular because it involves a large amount of complex physico-chemical and mechanical phenomena. To study immunologic synapse in the laboratory, it is necessary to be able to isolate large numbers of lymphocytes and CPAs in space over controllable durations. Microfluidics can now meet this demand by using networks of microfluidic traps, each trap being able to isolate a lymphocyte and a CPA. In addition, to focus the study on lymphocyte behaviour, artificial substitutes for CPAs have been proposed in the literature. The currently most promising biomimetic substrate is antigen-functionalized gout because it: (i) has a round shape, (ii) allows movement of antigens on its surface and (iii) may be rendered deformable. Jacques Fattaccioli’s team at the Pierre-Gilles de Gennes Institute was able to develop a microfluidic system for capturing drops paired with B lymphocytes. But some locks persist: few traps are filled, It is not known what pressure to apply to the fluid to be representative of the in vivo and the estimation of the contact forces in the synapse leads to an order of magnitude too high in comparison with the measurements carried out in the literature on T lymphocytes. The Numerical simulation could provide a solution to these different problems. In this thesis several numerical models are developed for this purpose. A first hydrodynamic model considering the objects to be captured as particles is formulated and has made it possible to find previous experimental results: shifting the input and output channels leads to a clear improvement of the filling via an oblique flow. This phenomenon cannot be explained without a particular analysis of the current lines and the introduction of particles into the simulation. The correspondence between the simulations and the experiments encouraged us to carry out a study to optimize the microfluidic system, which allowed us to show that there is an optimized oblique flow maximizing capture. Our results suggest that the optimization of microfluidic capture system with dense 2D trap network is not intuitive and cannot be ensured by a purely experimental approach. We believe that a key mechanism for capturing objects is the breaking of flow symmetry, which is why we study the effect of introducing disorder into the trap network without generating oblique flow, This has led to fairly similar results in terms of catch. However, a disorderly trap network retains its filling efficiency as a function of the number of traps, which suggests a particular interest in disorderly flows for very large trap networks. For the estimation of the contact forces involved in the formation of immunological synapse B, a model taking into account contact, the specific adhesion between antigens and receptors and actin polymerization is developed. Our results showed that in order to obtain a contact surface comparable to the experiments, the contact force must actually be of the order of ten nN, which seems to validate the experimental protocol proposed by Pinon et al. On the other hand this result is very sensitive to the size of the lymphocyte nucleus, which would seem to indicate that pathological involving a nucleus magnification like some lymphomas.