Expériences et simulations pour comprendre les flux entraînés par les cils et leur rôle protecteur dans les embryons de Xenopus

Experiments and simulations to understand cilia-driven flows and their protective role in Xenopus

• Auteur / Autrice : Athullya Baby
• Direction : Annie Viallat, Laurent Kodjabachian, Julien Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 13/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM) - Institut de Biologie du Développement de Marseille (IBDM) - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Olivia Du Roure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Viallat, Laurent Kodjabachian, Julien Favier, Xavier Noblin, Peter Walentek, Alessandro Bottaro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Noblin, Peter Walentek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Xenopus laevis

Méthode de Boltzmann sur réseau

Agents pathogènes

Sciences -- Expériences

Modélisation CFD

Mouvement ciliaire

Mots clés libres

Embryon de Xénope

Mouvement ciliaire

Ecoulement d'un fluide

Modèle numérique

Infection bactérienne

Expériences

Xenopus embryo

Ciliary beating

Fluid flow

Numerical model

Bacterial infection

Experiments

Résumé

Les cils sont de petits appendices ressemblant à des cheveux que l'on trouve sur les cellules multiciliées (MCC) de nombreux épithéliums de systèmes vivants, des micro-organismes aux organes des mammifères. Leur battement synchronisé sur de grandes échelles spatiales est essentiel pour des fonctions critiques telles que la nage chez les micro-organismes, la circulation du liquide céphalo-rachidien dans le cerveau et l'élimination du mucus dans les voies respiratoires. La surface de l'embryon de grenouille Xenopus laevis présente aussi des MCC, réparties spatialement de manière régulière, qui disparaissent ensuite lorsque l'embryon atteint le stade de la maturité. Au début du développement de l’embryon, on pense que le flux généré par les cils est essentiel pour les échanges gazeux respiratoires. Cependant, la présence continue des cils après ces étapes suggère qu'ils peuvent avoir d'autres fonctions, telles que l'élimination des agents pathogènes. Nous avons émis l'hypothèse que la répartition spatiale régulière des MCC observée sur l’épithélium pourrait être optimisée pour l'élimination des agents pathogènes.Pour étudier cette hypothèse, nous avons combiné des techniques biologiques expérimentales : modification de la distribution spatiale des MCC induite par une drogue, développement d'une culture d'explants ex-vivo, microscopie optique et de fluorescence, vidéomicroscopie, vélocimétrie par image de particules, traitement et analyse d'images, et simulations basées sur un modèle numérique 3D utilisant la méthode de Lattice Boltzmann. Nous avons caractérisé la répartition spatiale des MCC à la surface des embryons et des explants et mesuré les écoulements 3D sur les explants avec différentes distributions spatiales du MCC. Nous avons validé le code numérique en comparant les écoulements générés par les cils calculés avec ceux mesurés expérimentalement sur les explants. Enfin, nous avons calculé numériquement les écoulements générés par les cils sur les flancs des embryons et étudié le rôle de différentes répartitions spatiales et densités de MCC sur les infections bactériennes. Nous avons montré que les écoulements générés par les cils protègent efficacement les flancs des embryons des infections bactériennes, indépendamment des modifications de la répartition spatiale des cils. Les bactéries ne peuvent accéder à l'épithélium que si de larges zones sont dépourvues de cellules ciliées. Cela suggère que la répartition régulière des MCC sur l'épithélium n’est pas directement liée à la clairance des pathogènes. Cependant, notre étude n'a pas pris en compte les zones antérieure (tête) et postérieure (queue) de l’embryon, qui pourraientt être plus sensibles aux changements de répartition spatiale des MCC.

Cilia are small hair-like appendages found on the multi-ciliated cells (MCC) ofmany epithelia of living systems, from microorganisms to mammalian organs. Theirsynchronized beating over large spatial scales is essential for critical functions suchas swimming in microorganisms, circulation of cerebrospinal fluid in the brain, andmucus clearance in the airways. MCCs are also found on the surface of the Xenopuslaevis, frog embryo in a distinctive regular distribution and later disappear as theembryo develops into a mature stage. During early development, cilia-driven flowis thought to be essential for respiratory gas exchanges. However, the continuedpresence of cilia after these stages suggests that they may have other functions, suchas pathogen clearance. Here we hypothesized that the regular spatial distribution ofMCCs could be optimized for pathogen clearance.To investigate this, we combined experimental biological techniques: drug-inducedmodification of the spatial distribution of MCC, development of ex-vivo explantsculture, light and fluorescent video microscopy, particle velocimetry, image pro-cessing and analysis, and simulations based on a 3D numerical model using theLattice Boltzmann method. We characterized the MCC distribution on embryosand explants and measured the 3D flows on explants with different spatial MCCdistributions. We validated the numerical code by comparing computed cilia-drivenflows with experimentally measured flows on explants. Finally, we numericallycomputed cilia-driven flows on the sides of embryos and investigated the role ofdifferent spatial distributions and densities of MCCs on bacterial infection. Weshowed that cilia-driven flow is efficient in protecting the lateral epithelial surfacefrom bacterial infection, regardless of changes in cilia distribution. Bacteria can onlyaccess the epithelium if significant areas are free of ciliated cells. This suggests thatthe regular distribution of MCCs on the epithelium serves a purpose other thanpathogen clearance. However, our study did not include the head and tail areas,which may be more sensitive to changes in the spatial distribution of MCCs.