Academic literature on the topic 'Tissu conjonctif – Modèles mathématiques'

Cette thèse porte sur l'hypothèse que des interactions mécaniques locales simples entre un nombre limité de composants puissent régir l'émergence de l'architecture 3D des tissus biologiques. Pour explorer cette possibilité, nous développons deux modèles mathématiques. Le premier, ECMmorpho-3D, vise à reproduire un tissu conjonctif non-spécialisé réduit à la matrice extra-cellulaire, c'est-à-dire à un réseau 3D de fibres interconnectées dynamiquement. Le second, ATmorpho-3D, est obtenu par ajout de cellules sphériques apparaissant et croissant spontanément dans ce réseau de fibres afin de modéliser la morphogenèse du tissu adipeux, un tissu conjonctif spécialisé ayant une grande importance sur le plan biomédical. Pour analyser les données produites par ces deux modèles, nous construisons un outil générique permettant de visualiser en 3D des systèmes composés d'un mélange d'éléments sphériques (cellules) et de bâtonnets (fibres) et de détecter automatiquement dans de tels systèmes des amas d'objets sphériques séparés par des bâtonnets. Cet outil peut également être utilisé pour traiter des images biologiques issues de microscopie en 3D, permettant ainsi une comparaison directe entre les structures in vivo et in silico. L'étude des structures produites par le modèle ECMmorpho-3D via des simulations numériques montre que ce modèle peut générer spontanément différents types d'architectures, que nous identifions et caractérisons grâce à notre outil d'analyse. Une analyse paramétrique approfondie nous permet d'identifier une variable émergente, le nombre de liens par fibre, qui explique et, dans une certaine mesure, prédit le devenir du système modélisé. Une analyse temporelle révèle que l'échelle de temps caractéristique de ce processus d'auto-organisation est fonction de la vitesse de remodelage du réseau et que tous les systèmes suivent la même trajectoire évolutive. Enfin, nous utilisons le modèle ATmorpho-3D pour explorer l'influence de cellules sphériques sur l'organisation d'un réseau de fibres dynamique, en prenant comme référence le modèle ECMmorpho-3D. Nous montrons que le nombre de cellules influence l'alignement local des fibres mais pas l'organisation globale du réseau. Par ailleurs, les cellules s'organisent spontanément en amas entourés de feuillets de fibres, dont les caractéristiques morphologiques sont très proches de celles des structures cellulaires in vivo. De plus, la distribution des différentes morphologies d'amas cellulaires est similaire dans les systèmes in silico et in vivo. Ceci suggère que le modèle est capable de produire des morphologies réalistes non seulement à l'échelle d'un amas mais aussi à l'échelle du système entier, en reproduisant les variabilités structurelles observées dans les échantillons biologiques. Une analyse paramétrique révèle que la proportion de chaque morphologie dans un système in silico est gouvernée principalement par les capacités de remodelage du réseau de fibres, pointant le rôle essentiel des propriétés de la matrice extra-cellulaire dans l'architecture et le fonctionnement du tissu adipeux (ce qui concorde avec plusieurs constatations biologiques ainsi que des résultats antérieurs en 2D). Le fait que ces modèles mathématiques très simples puissent générer des structures réalistes corrobore notre hypothèse selon laquelle l'architecture des tissus biologiques pourrait émerger spontanément à partir d'interactions mécaniques locales entre les composants du tissu, indépendamment des phénomènes biologiques complexes se déroulant dans ce tissu. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives quant à notre compréhension des principes fondamentaux gouvernant la manière dont l'architecture d'un tissu émerge durant l'organogenèse, est maintenue au cours de la vie et peut être affectée par diverses pathologies. Les applications potentielles vont de l'ingénierie tissulaire à la possibilité de promouvoir la régénération chez les mammifères adultes
In this thesis, we investigate whether simple local mechanical interactions between a reduced set of components could govern the emergence of the 3D architecture of biological tissues. To explore this hypothesis, we develop two mathematical models. The first one, ECMmorpho-3D, aims at reproducing a non-specialised connective tissue and is reduced to the Extra-Cellular Matrix (ECM) component, that is a 3D dynamically connected fibre network. The second, ATmorpho-3D, is built by adding to this network spherical cells which spontaneously appear and grow in order to mimic the morphogenesis of Adipose Tissue (AT), a specialised connective tissue with major biomedical importance. We then construct a unified analysis framework to visualise, segment and quantitatively characterise the fibrous and cellular structures produced by our two models. It constitutes a generic tool for the 3D visualisation of systems composed of a mixture of spherical (cells) and rod-like (fibres) elements and for the automatic detection of in such systems of clusters of spherical objects separated by rod-like elements. This tool is also applicable to biological 3D microscopy images, enabling a comparison between in vivo and in silico structures. We study the structures produced by the model ECMmorpho-3D by performing numerical simula- tions. We show that this model is able to spontaneously generate different types of architectures, which we identify and characterise using our analysis framework. An in-depth parametric analysis lead us to identify an intermediate emerging variable, the number of crosslinks per fibre, which explains and partly predicts the fate of the modelled system. A temporal analysis reveals that the characteristic time-scale of the organisation process is a function of the network remodelling speed, and that all systems follow the same, unique evolutionary pathway. Finally, we use the model ATmorpho-3D to explore the influence of round cells over the organisation of a fibre network, taking as reference the model ECMmorpho-3D. We show that the number of cells can influence the local alignment of the fibres but not the global organisation of the network. On the other hand, the cells inside the network spontaneously organise into clusters with realistic morphological features very close to those of in vivo structures, surrounded by sheet-like fibre bundles. Moreover, the distribution of the different morphological types of clusters is similar in in silico and in vivo systems, suggesting that the model is able to produce realistic morphologies not only on the scale of one cluster but also on the scale of the whole system, reproducing the structural variability observed in biological samples. A parametric analysis reveals that the proportion in which each morphology is present in an in silico system is governed mainly by the remodelling characteristic of the fibres, pointing to the essential role of the ECM properties in AT architecture and function (in agreement with several biological results and previous 2D findings). The fact that these very simple mathematical models can produce realistic structures supports our hypothesis that biological tissues architecture could emerge spontaneously from local mechanical inter- actions between the tissue components, independently of the complex biological phenomena taking place around them. This opens many perspectives regarding our understanding of the fundamental principles governing how biological tissue architecture emerges during organogenesis, is maintained throughout life and can be affected by various pathological conditions. Potential applications range from tissue engineering to therapeutic treatment inducing regeneration in adult mammals

Actuellement, les mesures objectives des caractéristiques mécaniques et physiques du tissu sont obtenues par plusieurs technologies et méthodologies, en particulier, par celle du KES-F (Kawabata's Evaluation System for Fabrics). Cependant le KES-F est un bon outil qui est devenu dominant pour l'évaluation du comportement du tissu. Cet outil mesure 16 paramètres de Kawabata. Dans une section de ce travail, nous développons un modèle physique de simulation du comportement dynamique du drapé du tissu tenant compte de ses propriétés spéciales telles que, la structure discontinue, et le comportement hautement anisotrope, non linéaire et hystérétique en utilisant des représentations rhéologiques et en se basant sur notre concept de machines virtuelles de Kawabata. Le modèle est gouverné par l'équation du mouvement de Newton et considère que l'objet simulé est discrétisé en un ensemble de particules qui interagissent: Les forces prises en considération dans notre modèle "système de particules" sont réparties en deux catégories: les forces internes (traction, cisaillement, flexion et dissipation) toutes calculées' dans les deux directions orthogonales chaîne et trame et les forces externes ( gravité, vent, contact. . . ). Ensuite, les équations dérivées du calcul de forces sont intégrées à l'aide d'une méthode numérique. . . [etc. ]

Les études récentes en toxicologie oculaire se sont beaucoup intéressées aux effets toxiques des conservateurs contenus dans les préparations ophtalmologiques, en particulier du chlorure de benzalkonium. Or, le programme REACH avec la limitation de l’utilisation d’animaux de laboratoire en toxicologie impose de revoir les outils classiques d’évaluation de la toxicité oculaire et de développer de nouvelles approches. En outre, les principales études in vitro réalisées jusqu’à présent utilisaient comme modèle la lignée épithéliale conjonctivale de Chang présentant l’inconvénient d’un mélange avec des cellules tumorales HeLa. Nous avons donc validé l’utilisation d’une nouvelle lignée qui ne présente pas ce risque, la lignée IOBA-NHC, puis illustré l’utilisation de cette lignée par l’étude des effets d’un nouveau collyre sans conservateur de la famille des dérivés des prostaglandines, le tafluprost en unidoses. Cependant, les lignées conjonctivales sont un modèle unicellulaire en monocouche qui ne reproduit pas les conditions structurelles de l’in vivo, et qui ne permet pas d’évaluer les interactions faisant intervenir d’autres types cellulaires comme les mucocytes et surtout les cellules inflammatoires. Ainsi, nous avons complété la partie expérimentale de ce travail par l’illustration de l’utilisation d’un modèle d’épithélium cornéen reconstitué en trois dimensions, et par l’étude d’un modèle de coculture entre des cellules épithéliales en lignée et des lymphocytes, le développement de nouveaux outils toxicologiques permettant une meilleure compréhension des phénomènes physiopathologiques impliqués au niveau de la surface oculaire dans la toxicité des conservateurs
During the past ten years, several toxicological studies on ocular surface focused on the effects of ophthalmologic medications that contain preservatives, particularly benzalkonium chloride. Although, the REACH program, with the limitation of the use of laboratory animals, supports the replacement of classic toxicological tools, i. E. The Draize test, and the development of new strategies. In addition, the widely used Wong-Kilbourne derivative of Chang conjunctiva-derived cell line has been criticized owing to a possible contamination with HeLa tumoral cells. In the present work, we validated the new IOBA-NHC cell line for toxicological studies, showing similar toxicological profiles of BAC on both cell lines. To illustrate our findings, we further studied the effects of the preservative-free formulation of tafluprost, a new prostaglandin analog, on IOBA-NHC cells. However, these monolayer cell models do not take into account the structural properties of cornea in vivo. In addition, unlike on any epithelial cell model, other cell types like goblet and inflammatory cells that interact with epithelial cells play also a major role in the ocular surface protection in vivo. Thus, we hereby reported a new application of a 3D-reconstituted corneal epithelial model, i. E. The analysis of BAC-preserved and unpreserved antiallergic eye drops on this model, and the development of a coculture model between epithelial cells and lymphocytes. Indeed, these new approaches seem to be extremely relevant for the understanding of ocular surface physiopathology, particularly in relation with preservative toxicity

Les images acquises avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT) fournissent la détermination du numéro atomique effectif et de la densité électronique. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle d'identifiation de tissu applicable en curiethérapie, le modèle de tissu réduit à trois éléments, basé sur ces quantités et de le comparer avec une méthode existante dans la littérature, le calcul de la distance de Mahalanobis. Les deux modèles sont appliqués à des images DECT du fantôme de calibration Gammex RMI 467 et pour un sous-ensemble de tissus. Les distributions de dose sont calculées avec des simulations numériques Monte Carlo avec une source point ayant le spectre d'énergie de l'iode 125. Le modèle de tissu réduit à trois éléments reproduit les distributions de dose de référence et peut être utilisé comme étant une méthode d'identifiation de tissu valide pour effectuer un calcul de dose à partir d'images DECT.
Clinical Dual-Energy Computed Tomography (DECT) images provide the determination of the effective atomic number and the electronic density. The purpose of this study is to develop a new assessment model of tissues, named the reduced three elements tissue model, for dose calculations from DECT images in brachytherapy and compare it to a known identification method, assignment through the Mahalanobis distance. Both models are applied to DECT scans of the Gammex RMI 467 phantom and for a subset of 10 human tissues. Dose distributions are calculated from Monte Carlo simulations with a point source having the energy spectrum of 125I. The reduced three elements tissue model provides dose equivalence to reference tissues and is equivalent to the calculation of the Mahalanobis distance. The model constructed can be used as a scheme to assess tissues from DECT images for dose calculation.

L'objet essentiel de cette recherche est d'appréhender la valeur heuristique du modèle hexagonal régulier émanant des théories des lieux centraux. Le lien entre le modèle hexagonal régulier, les principes d'organisation et les concepts des théories des lieux centraux est d'abord examiné. Une attention particulière est donnée à la théorie de la centralité et aux autres travaux de Walter Christaller, ainsi qu'à la théorie des régions économiques d’August Losch. Une vue d'ensemble des théories des lieux centraux plus récentes et des applications du modèle hexagonal sur des trames urbaines régionales est fournie. Le modèle hexagonal sur des trames urbaines régionales est fournie. (seuls les nœuds et les arêtes sont significatifs), soit comme un pavage (la forme et le contenu sont significatifs). La seconde partie traite du maillage hexagonal. Sur l'exemple de la France, il apparait que le modèle géométrique régulier ne s'adapte pas à la structure et à l'organisation de la trame urbaine. La troisième partie, fondée sur les recherches effectuées par Georges Nicolas sur la Suisse occidentale, atteste la même inadéquation pour le pavage hexagonal. Il est donc proposé de substituer une grille polygonale et adaptable à la traditionnelle mosaïque hexagonale régulière
The main aim of this research is to look into the heuristic value of the regular hexagonal patterns as these appear in central place theories. The link between regular hexagonal patterns, principles of organization, and concepts of central place theories is first examined. Particular attention is given to the theory of centrality and other works by Walter Christaller, and to the theory of economic regions proposed by August Losch. An overview of more recent theories of central places and applications of hexagonal patterns on urban webs in regional settings is provided. The regular hexagonal pattern can be conceived either as a mesh (only nodes and edges are significant), or as a grid which actually contains people and functions. The second part deals with the regular hexagonal tesselation. Using the example of France, the regular geometric pattern is shown not to fit the structure and organization of the urban web. The third part, based upon Georges Nicolas research on Western Switzerland, confirms the same lack of fit for the regular hexagonal grid. For this reason, an adaptable polygonal grid is proposed as a substitute for the traditional and regular hexagonal tesselations. (abstract by Peter R. Gould and Sylvie Adam)

L'élastographie consiste à mesurer quantitativement l'élasticité des tissus afin de remplacer le contrôle tactile souvent exercé par les médecins. Ce contrôle tactile, connu sous le nom de palpation, a pour but d'estimer qualitativement l'élasticité des tissus. L'élastographie est motivée par la grande différence d'élasticité observée entre les tissus sains et les tumeurs dans lesquelles l'élasticité peut être jusqu'à 30 fois plus grande. L'élasticité devient alors un paramètre important dans la caractérisation des tissus mous. Dans les tissus mous, l'élasticité est pilotée par l'élasticité de cisaillement qui est mise en jeu lors de la propagation des ondes de cisaillement. Leur étude peut donc permettre de quantifier des informations tactiles. Nous proposons ici de développer des outils numériques pour l'étude théorique de la propagation d'onde de cisaillement dans un milieu élastique. Une évolution de la technique d'élastographie impulsionnelle, basée sur l'utilisation d'un nouveau type de transducteur ultrasonore associé à un système d'acquisition ultrasonore multivoie, est aussi proposée. La validation de ce dispositif et des algorithmes correspondants est ensuite réalisée sur fantômes. Nous développons un nouveau type de milieux modèles, un mélange de copolymère dans l'huile, imitant les propriétés mécaniques et acoustiques des tissus mous pour l'élastographie. Enfin, nous réalisons une comparaison de la mesure d'élasticité obtenues en élastographie impulsionnelle avec celle obtenue en élastographie par résonance magnétique afin d'étudier les différences possibles entre ces techniques de plus en plus utilisées pour le diagnostic de la fibrose hépatique
Elastography is to quantitatively measure the elasticity of tissue to replace the tactile control often exercised by physicians. This tactile control known as palpation, aims at qualitatively estimate the elasticity of tissues. Elastography is motivated by the large difference of elasticity observed between normal tissues and tumors in which elasticity can be up to 30 times greater. Elasticity becomes an important parameter in the characterization of soft tissues. In soft tissues, elasticity is driven by the shear elasticity, which is involved in the propagation of shear waves. Their study can thus help quantify the tactile information. We propose to develop computational tools for the theoretical study of shear wave propagation in elastic medium. An evolution of the transient elastography technique, based on the use of a new type of ultrasonic transducer combined with an ultrasonic multichannel acquisition system, is also proposed. The validation of this system and corresponding algorithms are then performed on phantoms. We develop a new kind of material models, a mixture of copolymer-in-oil, mimicking the mechanical and acoustic properties of soft tissues for elastography. Finally, we conduct a comparison of the measurement of elasticity obtained by transient elastography with that obtained by magnetic resonance elastography to study possible differences between these techniques increasingly used for the diagnosis of liver fibrosis

Le tissu adipeux est traditionnellement décrit comme étant constitué de lobules : des entités de formes ovoïdales composées de cellules et de vaisseaux et faiblement connectées entre elles.Récemment, il a été montré qu’un potentiel métabolique spécifique (le browning) co-localise avec cette organisation en lobules au sein d’un même tissu. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à décrire plus précisément l’organisation structurelle et fonctionnelle du tissu adipeux selon plusieurs aspects. Dans un premier temps, on s’attache à segmenter les lobules du tissu adipeux en utilisant une méthode de traitement d’image originale. Nous mettons en évidence une organisation 3D complexe et suivant plusieurs échelles. En particulier, il semble que le potentiel de browning soit également lié à une organisation structurelle particulière en clusters de lobules. Dans un second temps, à partir d’imagerie 3D, nous reconstruisons le réseau vasculaire entier du tissu adipeux et réalisons une simulation d’écoulements sanguins micro-vasculaires. Plusieurs hétérogénéités structurelles et fonctionnelles sont alors mises en valeurs à l’aide d’une analyse en communautés qui composent le tissu adipeux (par algorithme de clustering). Ces résultats confirment l’existence d’une zone centrale fortement vascularisée et qui se démarque également comme étant le lieu d’une perfusion sanguine d’intensité différente. Dans une dernière partie, nous abordons la question de transferts thermiques entre vaisseaux sanguins suivant des géométries simples mais pertinentes. Nous réalisons une étude systématique des paramètres adimensionnels clés du problème et mettons en évidence un invariant des échanges de chaleur : un optimum à faible nombre de Péclet (convection de même ordre que la diffusion). Nous introduisons également une méthode de calibration de paramètres effectifs dans le contexte des modèles homogénéisés de température à travers des tissus vascularisés.

L'ostéoporose est un problème majeur de santé publique (150000 fractures par an en France), qui se traduit par une diminution de la masse et de la « qualité » osseuse entraînant une augmentation du risque fracturaire. Basés uniquement sur une mesure de densité minérale osseuse, les moyens cliniques actuels de diagnostic de cette pathologie apparaissent insuffisants pour quantifier précisément la résistance mécanique de l'os. Dans cette optique, il est primordial de pouvoir évaluer non seulement l'évolution de masse osseuse au cours du temps, mais également ses propriétés mécaniques tant macro que micro. Cette thèse est consacrée au développement d'un modèle numérique de remodelage osseux intégrant des paramètres mécano-biologiques permettant de simuler à la fois la dégradation d'une microstructure d'os trabéculaire au cours du temps ainsi que son adaptation mécanique. Une modification de ces paramètres permet de simuler des cas pathologiques avec ou sans traitements anti-ostéoporotiques. Le remodelage est ensuite couplé au processus de mécanotransduction, en intégrant l'influence du chargement mécanique sur la réponse cellulaire. Différents cas de chargement ont été ainsi modélisés, en particulier faible chargement tel que l'alitement, ou surchargement tel que la pratique d'activités sportives. L'hyperminéralisation ainsi que l'hétérogénéité du tissu osseux ont été intégrés au modèle et leur influence sur la localisation des sites de remodelage a été également analysée. Les résultats des simulations obtenus à partir de microarchitectures d'os humain sur plusieurs années sont encourageants car ils concordent avec les observations cliniques
Osteoporosis is characterized by a low bone mass density but also an alteration of mechanical properties. The clinical diagnostic is made from the measure of the bone mineral density (BMD) but this examen seems insufficient to quantify bone resistance. In this work, a numerical model of cancellous bone degradation, aging and mechanical adaptation is proposed. Based on hypermineralization, this model simulates the cancellous bone remodeling process over many years. This model allows to predict the behavior of cancellous adaptation in a mechanical low loading case for instance. Results are similar to clinicial tendancy