Analyse biomécanique du Syndrome de Marfan : modélisation des tissus vasculaires et cartilagineux

Biomechanical analysis of Marfan Syndrome: modelling of vascular and cartilaginous tissues

• Auteur / Autrice : Romain Gayraud
• Direction : Simon Le Floc'h
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biomécanique des interactions et de l'organisation des tissus et des cellules (BIOTIC)

Mots clés

Mots clés libres

Croissance et remodelage

Syndrome de Marfan

Biomécanique

Tissus biologiques

Eléments finis

Modélisation numérique

Finite elements

Biomechanics

Computational modelling

Marfan syndrome

Biological tissues

Growth and remodelling

Résumé

Le syndrome de Marfan (MFS) est un trouble rare affectant les tissus mous congénitaux, entraînant des complications cardiovasculaires, squelettiques et oculaires graves. Il représente un défi clinique majeur en raison de ses manifestations graves et de sa prévalence relativement faible. Les patients atteints de MFS sont confrontés à des complications potentiellement mortelles telles que la dilatation aortique et les anomalies squelettiques, nécessitant une prise en charge médicale et un suivi spécialisé tout au long de leur vie. Cependant, malgré son importance clinique, la recherche sur le MFS reste limitée, en partie en raison du manque de financement et d'attention comparativement à d'autres maladies plus courantes. L'étude se concentrera d'abord sur les tissus vasculaires, en particulier l'aorte, pour comprendre comment les mutations pathogéniques dans la fibrilline-1 affectent la structure et la fonction des tissus, conduisant à la dilatation aortique et à d'autres complications cardiovasculaires. Les modèles numériques de croissance et de remodelage (G&R), combinés à des données expérimentales, permettront de simuler l'évolution temporelle de la pathologie et d'identifier les mécanismes sous-jacents. Le modèle G&R permet de simuler l'évolution temporelle des tissus biologiques en prenant en compte les processus de croissance, de réorganisation et de dégradation microstructuraux qui se produisent dans le tissu en termes de composition et d'organisation des fibres de collagène, de l'élastine et d'autres constituants clés. En outre, le projet étendra son analyse aux tissus cartilagineux, en explorant le comportement biomécanique du cartilage articulaire et son lien avec le MFS. Les modèles numériques seront utilisés pour étudier la dégradation ostéoarthritique dans le cartilage, un symptôme souvent associé au MFS mais peu étudié du point de vue biomécanique. Une attention particulière sera portée à l'intégration du comportement élasto-poreux du tissu, en tenant compte de la présence de fluides interstitiels et de leur influence sur la réponse mécanique du tissu. Cela permettra de mieux comprendre la distribution des contraintes mécaniques à l'intérieur des tissus et son impact sur la réponse cellulaire, ce qui est crucial pour une compréhension approfondie de la pathologie du MFS. Une collaboration étroite avec le département de génie biomédical et l'École de médecine de l'Université de Yale permettra d'accéder à des données expérimentales provenant de modèles animaux et de patients MFS, enrichissant ainsi l'analyse et la validation des modèles. Un aspect essentiel du projet est la prise en compte de l'incertitude des paramètres d'entrée dans les modèles numériques, ce qui permettra une approche probabiliste et une meilleure adaptation aux données cliniques des patients. Le doctorant aura l'occasion de participer à un programme de visite à l'Université de Yale, ainsi qu'à des collaborations avec d'autres institutions renommées, enrichissant ainsi son expérience de recherche et favorisant les collaborations interdisciplinaires et internationales. Enfin, l'utilisation de logiciels en libre accès et la publication des résultats dans des revues en libre accès contribueront à la diffusion ouverte de la science. En conclusion, ce projet de recherche au sein du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) offre une opportunité unique d'approfondir la compréhension du MFS en combinant des approches expérimentales et numériques, avec une forte collaboration internationale et une orientation vers une diffusion ouverte de la science.

The Marfan syndrome (MFS) is a rare disorder affecting congenital soft tissues, leading to serious cardiovascular, skeletal, and ocular complications. It poses a major clinical challenge due to its severe manifestations and relatively low prevalence. Patients with MFS face potentially life-threatening complications such as aortic dilation and skeletal anomalies, requiring lifelong medical management and specialized follow-up. However, despite its clinical significance, research on MFS remains limited, partly due to the lack of funding and attention compared to other more common diseases. The study will first focus on vascular tissues, particularly the aorta, to understand how pathogenic mutations in fibrillin-1 affect tissue structure and function, leading to aortic dilation and other cardiovascular complications. Numerical models of growth and remodeling (G&R), combined with experimental data, will simulate the temporal evolution of the pathology and identify underlying mechanisms. The G&R model simulates the temporal evolution of biological tissues by considering the microstructural growth, reorganization, and degradation processes that occur in terms of collagen fiber composition and organization, elastin, and other key constituents. Additionally, the project will extend its analysis to cartilaginous tissues, exploring the biomechanical behavior of articular cartilage and its connection with MFS. Numerical models will be used to study osteoarthritic degradation in cartilage, a symptom often associated with MFS but underexplored from a biomechanical perspective. Special attention will be given to integrating the poroelastic behavior of the tissue, considering the presence of interstitial fluids and their influence on tissue mechanical response. This will provide a better understanding of the distribution of mechanical stresses within tissues and its impact on cellular response, crucial for a comprehensive understanding of MFS pathology. Close collaboration with the biomedical engineering department and the School of Medicine at Yale University will provide access to experimental data from animal models and MFS patients, enriching model analysis and validation. An essential aspect of the project is considering the uncertainty of input parameters in numerical models, enabling a probabilistic approach and better adaptation to clinical data. The doctoral student will have the opportunity to participate in a visiting program at Yale University, as well as collaborations with other renowned institutions, enriching their research experience and fostering interdisciplinary and international collaborations. Finally, the use of open-access software and publication of results in open-access journals will contribute to the open dissemination of science. In conclusion, this research project within the Laboratory of Mechanics and Civil Engineering (LMGC) offers a unique opportunity to deepen understanding of MFS by combining experimental and numerical approaches, with strong international collaboration and a commitment to open science dissemination.