Modélisation mécano-biologique de l'hyperplasie intimale induite par les vibrations transmises au système main-bras

Mechanobiological modeling of vibration-induced intimal hyperplasia

• Auteur / Autrice : Maha Reda
• Direction : Emmanuelle Jacquet, Christophe Noel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Virginie Salsac, Alice Turcot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Ganghoffer, Vittorio Sansalone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Intelligence artificielle répartie

Mots clés libres

Système multi-Agents

Hyperplasie intimale

Éléments finis

Agent-Based model

Intimal hyperplasia

Finite elements model

Résumé

L’exposition aiguë du système main-bras aux vibrations mécaniques peut diminuer les contraintes de cisaillement (Wall Shear Stress - WSS) exercées par le sang sur l’endothélium de l’artère. Or une modification chronique de ces contraintes hémodynamiques peut entrainer une croissance et un remodelage artériels induits par un phénomène d’hyperplasie intimale. Dans cette thèse, un modèle mécano-biologique de l’hyperplasie intimale, basé sur un couplage entre un système multi-agents (SMA) et un modèle éléments finis, a été élaboré. Le SMA décrit les phénomènes biologiques au niveau cellulaire et moléculaire, comme par exemple, la sécrétion des médiateurs biochimiques par les cellules endothéliales (CE) et les cellules musculaires lisses (CML), la prolifération, l’apoptose et la migration des CML, ainsi que la synthèse et la dégradation de la matrice extracellulaire (MEC). Ces phénomènes sont régulés d’une part par les valeurs du WSS, introduites comme données d’entrée, et d’autre part par les contraintes circonférentielles, simulées par le modèle élément finis. De plus, des tests ex-vivo sur des cellules endothéliales sous flux ont été menés afin de quantifier la sécrétion, par ces cellules, du facteur de croissance Platelet-Derived Growth Factor BB (PDGF-BB) en fonction des valeurs du WSS. Les paramètres du modèle biologique sont alors issus, soit de nos propres résultats expérimentaux précédents, soit de la littérature. L’hyperplasie intimale a été simulée en appliquant un WSS de 3 Pa, ce qui correspond à l’état non vibré et un WSS de 1 Pa s’agissant de l’état vibré. Le modèle mécano-biologique est capable de maintenir un état basal, dans la condition non vibrée, et de prédire 30 % de sténose après 10 ans d’exposition aux vibrations pendant 4 heures par jour. Les analyses de l’étude paramétrique ont montré que le taux de sténose artérielle est influencé par les effets chimiotactique et mitogénique du PDGF-BB et du Transforming Growth Factor β (TGF-β) sur les CML. Le coefficient de diffusion du PDGF-BB a un impact majeur sur le développement de l’hyperplasie intimale. L’atrophie de la media due à la dégradation de la MEC a été prédite par le modèle mécano-biologique lorsque les contraintes circonférentielles ont diminué en raison de l’épaississement des parois artérielles lors de la croissance. Enfin, nos simulations ont montré que la loi de comportement utilisée pour décrire le comportement mécanique de l’artère digitale a peu d’influence sur l’évolution de la sténose artérielle durant cinq ans de simulation. Notre modèle mécano-biologique pourra servir de base à une nouvelle définition de la dose d’exposition vibratoire permettant de mieux protéger les salariés contre le risque vibratoire vasculaire.

Acute exposure to hand-arm transmitted vibrations (HAVs) may decrease the Wall Shear Stress (WSS) exerted by the blood flow on the arterial endothelium. In the case of chronic exposure to HAVs, these WSS changes can lead to arterial growth and remodeling potentially induced by an intimal hyperplasia phenomenon. Accordingly, a mechanobiological framework of an agent-based model (ABM) coupled with a finite elements model (FEM) was elaborated. The ABM captures the hemodynamics-driven and mechanoregulated cellular and molecular mechanisms involved in vibration-induced intimal hyperplasia, such as the secretion of mediators by the endothelial cells (ECs) and the smooth muscle cells (SMCs), the proliferation, apoptosis and migration of the SMCs and the synthesis and degradation of the extracellular matrix (ECM). The input data of the model are the WSS values varying during time according to the presence or absence of vibration during a long-term working condition. The circumferential stress values were simulated in the FEM that describes the mechanical behavior of digital artery. The mechanobiological model was combined with flow loop experiments that investigated the WSS-modulated secretion of the Platelet-Derived Growth Factor BB (PDGF-BB) by the ECs. The model rules parameters were obtained using our experimental findings and literature data. The model was able to replicate the basal state (no vibration) as well as predict a 30 % stenosis resulting from a chronic drop of WSS values mimicking exposure to vibration during a timeframe of 10 years. The study of the influence of different WSS-modulated phenomena on the model has shown that the magnitude of stenosis largely depends on the migratory and mitogenic effects of PDGF-BB and Transforming Growth Factor β (TGF-β) on SMCs. A parametric study was conducted to study the effects of some parameters, such as diffusion coefficient of PDGF-BB for example, on the onset of intimal hyperplasia. The results also proved that the fall in circumferential stress due to arterial layer thickening to a great extent accounts for the degradation of the ECM in the media. Fully coupled simulations of five years duration has suggested that the mechanical behavior employed in the FEM for the digital artery had no effects on the arterial stenosis rate.