Caractérisation de la mécanique nucléaire avec des modèles physiques en microscopie d’image de fluorescence

Characterization of nuclear mechanics with physical models in fluorescence image microscopy

• Auteur / Autrice : Yekta Kesenci
• Direction : Jean-Christophe Olivo-Marin, Aleix Boquet Pujadas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité d'Analyse d'images biologiques
• Jury : Président / Présidente : Dominique Béréziat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Tinevez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Ladoux, Arrate Muñoz Barrutia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problèmes inverses (équations différentielles)

Mécanobiologie

Milieux continus, Mécanique des

Propriétés mécaniques

Noyau cellulaire

Radiomique

Mots clés libres

Mécanobiologie

Flux optique

Norme Schatten de la Hessienne

Problèmes inverses

Mécanique des milieux continus

Noyau

Mechanobiology

Optical flow

Hessian Schatten Norm

Inverse problems

Continuum mechanics

Nucleus

Résumé

Nous proposons un ensemble de méthodes d'imagerie computationnelle pour caractériser les propriétés mécaniques d'un noyau cellulaire sous imagerie par fluorescence. Chacune s'énonce comme la solution à un problème de mécanique des milieux continus sous faible contrainte quasistatique. Dans ce cadre, le noyau se conduit tel un matériau élastique, isotrope et linéaire, et les champs désirés observent des propriétés de régularité édictées par la théorie des opérateurs elliptiques. Nous calculons d'abord le champ de déplacement du matériel nucléaire à partir d'images de sa déformation. Nous développons pour ce faire une nouvelle méthode variationnelle de flux optique, pénalisée par la norme mixte nucléaire de l'Hessien du déplacement. Ces déplacements sont ensuite traités pour calculer d'autres grandeurs physiques d'intérêt. Les tenseurs de déformation, de contrainte, et la force de traction aux bords, sont obtenus tels les solutions d'un problème d'optimisation sous contrainte d'équations différentielles élastiques. Les modules de Young sont calculés par résolution d'équations différentielles elliptiques que nous introduisons. Nous montrons que ces méthodes respectent les propriétés de régularité de la théorie d'élasticité linéaire, et des expérimentations en valident l'acuité tout comme l'intérêt pratique. Nous appliquons ces méthodes pour étudier deux configurations d'intérêt : la déformation des noyaux des cellules de glioblastome migrantes; et les forces de traction exercées sur noyau du parasite Toxoplasma gondii durant l'invasion de cellules hôtes.

We propose a set of computational imaging methods to characterize the mechanicalproperties of a cell nucleus under fluorescence imaging. Each are stated as the solution to a continuum mechanics problem under low quasistatic stress. In this framework, the nucleus behaves like a linearly elastic isotropic material, and the desired physical quantities observe regularity properties imposed by the theory of elliptic operators. We first compute the displacement field of the nuclear material from images of its deformation. To do this, we developed a new variational optical flow method, penalized by the mixed nuclear norm of the Hessian of the displacement field. These displacements are then processed to compute other physical quantities of interest. The strain and stress tensors, and the boundary traction forces, are obtained as the solutions of an optimization problem constrained by the differential equations of linear elasticity. Young's moduli are computed by the finite element resolution of elliptic partial differential equations that we introduce. We show that these methods respect the expected regularity properties from linear elasticity theory, and experiments validate both their accuracy and practical interest. We apply these frameworks to study two configurations of interest: the deformation of the nuclei of migrating glioblastoma cells; and the boundary traction forces exerted on the nucleus of theparasite Toxoplasma gondii during host-cell invasion.