Comprendre le couplage entre les forces hydrodynamiques, le battement des cils et la polarité des tissus dans le transport du mucus à l'aide d'un dispositif d'organe sur puce

Understanding the coupling between hydrodynamic forces, cilia beating and tissue polarity in mucus transport by using an organ-on-chip device

• Auteur / Autrice : Camille Darthenay-kiennemann
• Direction : Annie Viallat, Etienne Loiseau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : BIOPHYSIQUE
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CINaM - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille

Mots clés

Mots clés libres

Physique des systèmes vivants

Matière active

Organe sur puce microfluidique

Epithélium cilié

Polarité tissulaire

Epithélium bronchique

Physics of living systems

Active matter

Microfluidics organ-on-a-chip

Ciliated epithelium

Tissue polarity

Bronchial epithelium

Résumé

Les voies respiratoires sont protégées des polluants et des agents pathogènes inhalés par une couche de mucus, un fluide complexe qui est continuellement transporté le long des parois bronchiques avant d'être évacué et avalé. Le mucus est propulsé par le battement continu de millions de cils microscopiques actifs exposés par les cellules ciliées épithéliales. Ce processus, appelé clairance mucociliaire, est fortement perturbé dans les maladies respiratoires chroniques qui touchent des centaines de millions de personnes. D'un point de vue biophysique, l'épithélium bronchique est un système actif complexe. En haut, les cils battent et créent des flux locaux dans le mucus. Le flux global qui en résulte applique à son tour une force hydrodynamique sur chaque cilium qui peut modifier la direction de son battement par une réponse active et ainsi s'aligner avec les autres pour créer un flux directionnel. En dessous, les cils sont reliés à des fibres (cytosquelette) orientées selon une direction préférentielle, appelée polarité cellulaire planaire, qui résulte d'une organisation spatiale des cellules dans le tissu lorsqu'elles sont soumises à des forces mécaniques au cours du développement. Nous voulons comprendre comment des millions de cils microscopiques actifs coordonnent leurs battements pour générer un flux cohérent sur des distances macroscopiques. Notre hypothèse est que la coordination à longue distance des battements ciliaires résulte d'une interaction complexe entre les forces hydrodynamiques du mucus, les cils actifs et la polarité du tissu. Cette interaction doit être élucidée pour comprendre le transport du mucus dans la santé et la maladie.

The airways are protected from inhaled pollutants and pathogens by a layer of mucus, a complex fluid that is continuously transported along the bronchial walls before being cleared out and swallowed. The mucus is propelled via the continuous beating of millions of microscopic active cilia exposed by the epithelial ciliated cells. This process, called mucociliary clearance, is strongly impaired in chronic respiratory diseases which affect hundreds of millions of people. From a biophysical point of view, the bronchial epithelium is a complex active system. On top, cilia beat and create local flows in the mucus. The resulting overall flow, in turn, applies a hydrodynamic force on each cilium that could change its beat direction via an active response and thus align with the others to create a directional flow. Underneath, cilia are linked to fibers (cytoskeleton) oriented according to a preferential direction, called Planar Cell Polarity, which results from a spatial organization of the cells in the tissue when submitted to mechanical forces during development. We want to understand how millions of microscopic active cilia coordinate their beatings to generate a coherent flow over macroscopic distances. Our hypothesis is that the long-range coordination of ciliary beats results from a complex interplay between hydrodynamic forces in the mucus, active cilia and tissue polarity. This interplay needs to be elucidated to understand the transport of mucus in health and disease.