Дисертації з теми "Particules en cellule (PIC)"

La transmission directe de cellule à cellule du VIH est un moyen de propagation plus puissant et plus efficace que l’infection par particules virales libres. Lors de la première étude de ma thèse nous avons montré que l'assemblage et le relargage de particules virales enveloppées sont nécessaires pour la transmission de cellule à cellule. Des cores viraux ne peuvent pas passer directement d'une cellule donneuse à une cellule cible à travers des pores de fusion induits par Env. ! L'augmentation de l'efficacité de cette voie de propagation du VIH doit donc être attribuée plutôt à une forte concentration locale de particules virales aux sites de contacts cellulaires plutôt qu'à une différence qualitative du processus de transmission, La troncation de la partie cytoplasmique de Envgp41 inhibe la réplication virale dans certains types cellulaires qui sont alors nommées cellules non-permissives. Dans d'autres cellules (cellules permissives), le VIH-1 peut encore se propager. L'objectif de la deuxième étude de ma thèse est de caractériser l'impact de cette troncation dans les deux types cellulaires. Nos résultats montrent que 1*effet de la troncation de Env s'exprime de façon significativernent plus intense quand les virus sont produits dans des cellules non permissives que dans les cellules permissives, et ceci pour les deux modes de transmission. Nos données préliminaires suggèrent que le défaut de réplication dans les cellules non permissives pourrait s'expliquer par une importante mortalité Env-dépendante des cellules "bystanders" non infectées en plus d'un défaut d'incorporation de Env dans les particules virales, comme suggéré dans la littérature
Direct cell-to-cell transmission of human immunodeficiency virus (HIV) is a more potent and efficient means of virus propagation than infection by cell-free virus particles, During the first part of my thesis we show that HIV cell-to-cell transmission requires the assembly of enveloped virus particles. Nucleic acids with replication potential can not translocate directly from donor to target cells through envelope glycoprotein (Env)-induced fusion pores, The increased efficiency of this infection route may thus be attributed to the high local concentrations of virus particles at sites of cellular contacts rather than to a qualitatively different transmission process. The truncation of the cytopïasmic tail of Envgp41 inhibits HIV-1 propagation in some cells named non-permissive cells. In some other cell lines (permissive cells), HIV can still propagate. The aim of the second study of my thesis is to characterize the impact of this truncation in the two kinds of cell lines, both on HIV cell-free infectivity and on HTV cell-to-cell transmission. Our results show that, for both transmission modes, the gp41CT truncation of HIV-1 leads to a drastic decrease of infectivity when viruses are produced in non-permissive cells. The replication defect of the HIV-1 gp41CT truncated mutant in non-permissive cells could be explained by an important mortality of the non-infected "bystanders" cells, in addition to the previously shown reduction of Env incorporation into virus particles. Our preliminary results show that contacts established with a cell expressing the truncated Env rapidly induces cell-cell fusion and syncytia formation in non-permissive cells, leading to cell death

Les plasmas sont des systèmes gazeux d'ions et d'électrons qui interagissent avec les champs électromagnétiques et affichent des propriétés collectives. Parmi ceux-ci, il y a la notion de "connexion" de lignes magnétiques. Ceci exprime le fait que, dans des régimes dans lesquels les particules chargées s'enroulent suffisamment vite le long des lignes d'induction magnétique, ces dernières sont liées au mouvement du plasma massif et acquièrent une identité topologique qui leur interdit de se rompre, se croiser et se reconnecter. Cette identité topologique peut cependant être localement violée grâce à un certain nombre d'effets cinétiques, comme les collisions entre les particules, lorsque les courants dans le plasma sont suffisamment intenses : on parle de “reconnexion magnétique”. La reconnexion magnétique est un ingrédient important de l'auto-organisation du plasma et a une importance pour les plasmas spatiaux et de laboratoire, car elle est à la base de phénomènes naturels comme les éruptions solaires et les aurores polaires, ou de processus disruptifs dans les expériences de fusion thermonucléaire. Un problème de longue date dans l'étude des plasmas de laboratoire et astrophysiques est de comprendre les mécanismes d'accélération des électrons et des ions, lorsqu’un champ magnétique se reconnecte et libère de l'énergie. Dans ce travail, nous avons étudié les effets cinétiques sur les instabilités de reconnexion se développant spontanément dans les nappes de courant statique (modes de déchirement) et en combinaison avec une classe d'instabilités cinétiques (instabilités de Weibel) qui sont pertinentes à la fois pour les jets de plasma astrophysiques et pour les expériences d'interaction laser-plasma. Nous avons effectué cette étude en utilisant des modèles fluides réduits et cinétiques, et nous avons étudié la concurrence entre les modes de type déchirement et les instabilités de type Weibel au moyen de simulations cinétiques complètes avec codes semi-lagrangiennes Vlasov-Maxwell et de type “Particle-In-Cell“
Plasmas are gaseous systems of ions and electrons which interact via electromagnetic fields and display collective properties. Among these, is the notion of the magnetic line "connection". This expresses the fact that, in regimes in which charged particles spiral sufficiently fast along lines of magnetic induction, the latter is linked to the bulk plasma motion and acquire a topological identity which forbids them to break, intersect and reconnect. This topological identity, however, can be locally violated thanks to a number of kinetic effects, such as particle collisions, when the currents in the plasma are sufficiently intense: one speaks of "magnetic reconnection". Magnetic reconnection is an important ingredient of the plasma self-organization and has significance for both space and laboratory plasmas since it is at the basis of natural phenomena like solar flares and polar lights, or of disruptive processes in thermonuclear fusion experiments. A long-standing problem in the study of laboratory and astrophysical plasmas is to understand the mechanisms of acceleration of electrons and ions, as a magnetic field reconnect and release energy. In this work, we studied kinetic effects on reconnection instabilities developing spontaneously in static current sheets (tearing modes) and in combination with a class of kinetic instabilities (Weibel instabilities) that are relevant both to astrophysical plasma jets and to laser-plasma interaction experiments. We performed this study using reduced-fluid and kinetic models and we investigated the competition between tearing-type modes and Weibel-type instabilities by means of both semi-lagrangian full kinetic Vlasov-Maxwell simulations and particles in cell simulations

Nous avons étudié deux aspects de la transmission du VIH-1 de cellule à cellule. Nous avons d'une part examiné le rôle de la protéine virale Nef dans la réplication et le transfert viral et nous sommes intéressés d'autre part aux effets et mécanismes d'action d'un panel d'anticorps neutralisants à large spectre (bNAbs) anti-VIH. Nef est une protéine accessoire du VIH-1, indispensable à la réplication virale et à la pathogénicité in vivo. Nef augmente l'infectivité des virions, diminue les taux d'expression membranaire de différentes protéines de surface et affecte la mobilité cellulaire. Nous avons montré que Nef favorisait la transmission virale de cellule à cellule, augmentait la concentration cellulaire de la protéine de structure Gag et favorisait sa localisation à la membrane plasmique. En l'absence de Nef, les virions transférés aux cellules cibles présentent des défauts de maturation. Les bNAbs inhibent la réplication d'une majorité de souches et sous types viraux. Leur efficacité est déterminée par leur capacité à bloquer l'infection par virus libre mais leur impact sur la transmission intercellulaire du VIH a été peu évalué. Nous avons testé l'activité de 15 bNAbs en collaboration avec l'équipe de Michel Nussenzweig et montré que seul un petit nombre inhibait efficacement l'infection par contact cellulaire. Ces bNAbs s'accumulent à la synapse virologique et bloquent la formation de conjugués et le transfert de matériel viral aux cellules cibles. La transmission cellule-cellule constitue certainement le mode principal de dissémination dans l'organisme; ces bNAbs représentent donc des candidats de choix pour les stratégies thérapeutiques et prophylactiques
We have studied two aspects of HIV-1 cell-to-cell transmission. First, we have investigated the role of Nef in HIV-1 replication and cell transfer. Second, we have examined the effect of a panel of broad neutralizing antibodies (bNAbs) on cell-to-cell transmission and studied the mechanisms involved. Nef is an HIV regulatory protein indispensable for replication and pathogenicity in vivo. Nef is known to down-regulate the surface expression of various cellular molecules, to increase virions infectivity and to affect cellular motility. We have shown that Nef facilitates HIV cell-to-cell transmission and that this function is conserved among lentiviruses. Nef increases levels of the virus structural Gag protein in the cell and promotes Gag localization to the plasma membrane. In the absence of Nef, viral material transferred to target cells is mostly immature. BNAbs are defined by their potency and their breadth, neutralizing a wide'panel of circulating viral strains from a variety of clades. The antiviral activity of these bNAbs is typically measured in cell free infection assay but little is know about their ability to block cell-associated transmission. By examining 15 bNAbs in collaboration with Michel Nussenzweig's group, we demonstrate that only a small subset efficiently prevent HIV cell-to-cell transmission. These bNAbs accumulate at the virological synapse, block the formation of conjugates and inhibit the transfer of viral material to target cells. Infection by cellular contact is likely the main mode of virus dissemination in vivo and the bNAbs identified in our study may represent candidates for therapeutic or prophylactic strategies

Nous avons utilisé la méthode de CEMOVIS (Cryo-Electron Microscopy Of Vitreous Sections) pour étudier l'ultrastructure des cellules HT29 (lignée cancéreuse colique humaine) et plus particulièrement l'organisation de la chromatine au sein du noyau. Pour améliorer la méthode, nous avons développé un micromanipulateur qui facilite la collecte des coupes et leur transfert sur la grille. Nous avons également cherché à préparer de nouveaux films métalliques (en remplacement du carbone) permettant une meilleure adhésion des coupes sur le support Au vu des premiers tests réalisés, les films de TiO2 que nous avons fabriqués au laboratoire et caractérisés par microscopie électronique (HR, spectroscopie et cartographie EELS) semblent offrir des perspectives intéressantes que nous attribuons à leur propriétés de conducteur électrique à basse température (ce qui reste à démontrer). Les organites cellulaires (noyaux, réseaux de filaments du cytosquelette, systèmes multilamellaires) ont été identifiés in situ. Les conditions d'imagerie choisies nous ont permis d'obtenir une résolution permettant d'identifier les deux feuillets des bicouches membranaires. Dans le noyau, nous avons observé des motifs striés, distants de 2.7 à 3.5 nm que nous attribuons à la molécule d'ADN enroulée autour du cœur d'histones. Comparées aux images de phases denses de nucléosomes, ces images suggèrent que les nucléosomes (jamais identifiés in situ jusqu'à présent) présentent un ordre très local au sein de la chromatine, que nous discutons à la lumières des modèles polymériques actuels.

Pour répondre aux besoins des nouvelles techniques de caractérisation sur site in-situ et temps réel, l’unité NOVA de l’INERIS en partenariat avec les laboratoires LP3 et GREMI, a entamé des travaux pour étudier deux approches afin d’améliorer les performances de la technique Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) pour l’analyse des aérosols. LIBS est une technique optique de spectroscopie atomique. Elle consiste à focaliser un faisceau laser impulsionnel sur un échantillon à analyser créant ainsi un plasma. L’émission optique du plasma contient alors la signature des éléments chimiques présents dans l’échantillon. La première approche concerne la détermination de la composition chimique relative (stoechiométrique) d’aérosols sans étalonnage. En effet, l’étalonnage présente des problèmes pratiques. Pour ce faire, les spectres expérimentaux enregistrés lors de l’analyse des particules d’alumine (Al2O3) suspendues dans de l’hélium (He) ont été comparés à des spectres théoriques calculés pour un plasma contenant les mêmes éléments, à l’Équilibre Thermodynamique Local (ETL). L’ajustement des spectres simulés sur les spectres expérimentaux nous a permis de déterminer correctement la composition chimique relative des éléments présents dans le plasma. L’évolution temporelle du plasma a permis de valider l’ETL, et ainsi estimer la meilleure plage temporelle permettant la détermination de la composition relative de l’aérosol. La deuxième approche utilise une cellule radiofréquence (RF) à pression réduite comme piège à particules pour analyser des aérosols contenant des nanoparticules. Un tel piège permet d’améliorer la détection en concentrant spatialement les particules. Les paramètres optimaux d’utilisation de ce système ont été étudiés. Cette étude a permis d’établir que l’émission continue du plasma est fortement réduite dès ses premiers instants de vie. Le volume d’échantillonnage de ce système a été évalué et la limite de détection a été estimée de manière théorique
New issues related to process control and workplace surveillance accompany the emergence of nanotechnology industry. This involves the development of new real-time and in-situ characterization techniques. In this context, the NOVA unit from the INERIS institute collaborated with LP3 and GREMI laboratories to study two approaches aiming to enhance the LIBS technic performances. The first approach used a flow cell to determine the relative elemental composition of an aerosol with a calibration-free procedure. The recorded spectra were compared to theoretical spectra calculated for a plasma in the Local Thermodynamic Equilibrium LTE. The best agreement between recorded and computed spectra allowed the determination of the relative composition with a good agreement with the reference value, for an alumina aerosol. The study of the temporal evolution of the plasma allowed the estimation of a temporal range within which the LTE hypothesis was verified. The second approach used a low-pressure radiofrequency plasma generated in an inert gas as a particle trap to analyse aerosols and nanoparticles. The use of such a system allowed the enhancement of particles detection by concentrating them spatially. We determined the optimal parameters for the LIBS analysis using this system. Furthermore, we established the plasma continuum was attenuated even at very low time delays. We evaluated the sampling volume of this new system and compared it to case of LIBS analysis on air. Finally, we estimated the detection limits of this system when analysing nanoparticles

L'objectif de cette etude fut d'evaluer l'impact des particules diesel (pds) et des acariens sur l'interaction des cellules epitheliales bronchiques humaines (cebhs) avec leur microenvironnement matriciel et cellulaire. Cette interaction fut etudiee sur les cebhs en culture, en termes d'interaction cellulaire et matricielle via les integrines et le cd44 (cytometrie en flux), de rigidite du cytosquelette (csq) d'actine (magnetocytometrie) et de remaniement matriciel via les metalloproteinases (mmps) et leurs inhibiteurs tissulaires les timps (zymographie et elisa). La proliferation cellulaire fut evaluee par incorporation de brdu, la capacite de reparation cellulaire par la vitesse de fermeture d'une blessure mecanique et la capacite de de-adherence cellulaire par la vitesse de detachement cellulaire. La 1 e r e partie de l'etude montre que : 1) l'augmentation de la rigidite du csq d'actine, de l'ensemencement a la confluence, est correlee a l'organisation progressive d'une actine hautement polymerisee et a la sur-expression des sous-unites d'integrines 5, v et 1 ; 2) le niveau de rigidite du csq d'actine est optimal sur collagene de type iv par comparaison aux types i et iii, suggerant une dependance matricielle. La 2 e m e partie de l'etude montre que l'exposition aux pds induit une perte dose-dependante de la rigidite du csq d'actine, associee a une redistribution des filaments d'actine autour des particules lors de la phagocytose et a la reduction de l'expression des sous-unites d'integrines 3 et 1 et de cd44. Ces donnees sont coherentes avec l'augmentation de la capacite de de-adherence cellulaire et avec la moindre capacite de reparation cellulaire elle-meme liee a un defaut de proliferation cellulaire et a une perte

Cette thèse s’inscrit dans le projet ASCoPE qui vise à développer les connaissances scientifiques et technologiques nécessaires à la conception et à la réalisation d’un pilote de production d’acier par réduction électrochimique de particules d’hématite en suspension dans un milieu alcalin à 110°C, en vue de proposer un procédé industriel fiable et écologique, comme alternative au procédé classique reposant sur le charbon. Le mélange considéré contient une suspension d’hématite à 12% en volume dans une solution aqueuse de soude à 50% en masse. Cette thèse a pour objectif l’étude de la sédimentation et de la rhéologie des suspensions d’hématite et le comportement hydrodynamique des particules d’hématite dans une cellule inclinée et de quantifier l’éventuel phénomène d’impact sur la cathode
This thesis aims to develop scientific and technological knowledge needed to design a pilot production of steel by electrochemical reduction of hematite particles suspended in an alkaline medium at 110°C in order to provide a reliable and environmentally friendly industrial process, as an alternative to the conventional process based on coal. The mixture considered contains a suspension of hematite of 12% by volume in an aqueous sodium hydroxide solution of 50% by weight. This thesis seeks to study the sedimentation and rheology of hematite suspensions and the hydrodynamic behavior of hematite particles in inclined cell and to quantify the possible phenomeno impact on the cathode

La membrane cellulaire est une partie vitale de la cellule dont l'architecture joue un rˆole crucial dans de nombreux processus cellulaires, comme la signalisation et le trafic, et dans diverses pathologies. Cette th'ese vise 'a sonder l'architecture membranaire via le mouvement de deux r'ecepteurs membranaires qui sont exploit'es par des toxines bact'eriennes. Les progr'es r'ecents des techniques de microscopie optique ont montr'e que certains r'ecepteurs membranaires ne diffusent pas librement dans la membrane, mais sont confin'es ou diffusent de fa¸con anomale. Actuellement, plusieurs mod'eles con- courent pour expliquer le confinement des r'ecepteurs, tel que le mod'e le Picket-Fence, les radeaux lipidiques et les agr'egats de prot'eines. Pour sonder la membrane, des nanoparticules (Y0.6Eu0.4VO4) dop'ees avec des lan- thanides sont coupl'ees 'a deux toxines peptidiques diff'erentes formant des pores dans la membrane, la toxine α de C. septicum et la toxine ǫ de C. perfingens. Le suivi de r'ecepteurs individuels sur lesquels sont fix'ees des toxines marqu'ees dans la mem- brane apicale de cellules MDCK avec un microscope 'a champ large permet de d'etecter le mouvement du r'ecepteur avec une r'esolution meilleure que la limite de diffrac- tion. Les r'ecepteurs de la toxine α et ǫ montrent une diffusion confin'ee avec des coefficients de diffusion similaires de 0.16 ± 0.14 µm2/s dans des domaines stables de 0.5 µm2. Pour analyser les trajectoires des r'ecepteurs, nous avons mis en oeuvre une nouvelle technique bas'ee sur une m'ethode d'inf'erence. Notre seule hypoth'ese est que le r'ecepteur se d'eplace selon l''equation de Langevin. Cette m'ethode exploite l'ensemble de l'information stock'ee dans la trajectoire et la qualit'e des valeurs extraites est v'erifi'ee par des simulations. Les deux r'ecepteurs sont confin'es dans un potentiel de type ressort avec une raideur de 0.45 pN/µm. Des exp'eriences apr'es d'epl'etion du cholest'erol par la cholest'erol oxydase et apr'es la d'epolym'erisation du cytosquelette par latrunculin B montrent que le confinement des r'ecepteurs individuels d'epend du taux de cholest'erol et que la d'epolym'erisation de l'actine n'influence pas le confinement. En utilisant la nanoparticule coupl'ee aux toxines comme un amplificateur de la force hydrodynamique applique'e par un flux liquide, nous avons mesur'e la r'eponse du r'ecepteur 'a une force ext'erieure. Les r'esultats indiquent une fixation des domaines de confinement sur le cy- tosquelette. Enfin, un mod'ele pour le confinement du r'ecepteur est propos'e, bas'e sur le couplage hydrophobe entre le r'ecepteur et la bicouche lipidique qui l'entoure. Ce mod'ele permet d'expliquer le potentiel de type ressort 'a l'int'erieur du domaine de confinement.

Nous présentons deux dispositifs microfluidiques dédiés à l’analyse cellulaire. Le premier système est dédié à la caractérisation de Cellules Tumorales Circulantes (CTC) dans l’objectif de permettre une meilleure prise en charge d’un patient ayant développé un cancer (pronostic, orientation du traitement le plus adapté). Afin de permettre l’analyse d’un prélèvement sanguin à haut débit, l’architecture des canaux d’un nouveau système microfluidique a été optimisée grâce à des simulations fluidiques avec le logiciel COMSOL. Les cellules sont capturées dans le microsystème par un réseau de colonnes constituées de billes magnétiques fonctionnalisées avec des anticorps dirigés spécifiquement contre une protéine membranaire exprimée par les CTC (en particulier dans les cas de cancer du sein), EpCAM (Epithelial Cell Adhesion Molecule). Ce réseau de colonnes a été stabilisé en réalisant un ancrage magnétique par assemblage capillaire. Les capacités de capture du système ont été évaluées grâce à des échantillons cellulaires modèles (lignées cellulaires, sang de donneurs sains). Une fois les cellules immobilisées sur les colonnes, l’expression de protéines spécifiques (cytokératine, CD45) peut être caractérisée par marquages immunofluorescents en imagerie confocale haute résolution. Le deuxième système microfluidique a été développé afin de pouvoir reconstruire des réseaux neuronaux dirigés. Une géométrie innovante de microcanaux a permis l’élaboration de diodes axonales. L’aptitude du système à structurer les connexions entre neurones a été évaluée avec des neurones primaires. Plusieurs types de réseaux ont ainsi été reconstruits et maintenus en culture sur 12 jours.

Une vésicule est un système modèle utilisé pour comprendre le comportement dynamique en écoulement d’une particule molle fermée telle qu’un globule rouge. La membrane bicouche lipidique inextensible d’une vésicule admet une résistance d’élasticité en flexion. Lorsque dégonflée, c’est-à-dire pour un grand rapport surface sur volume, une vésicule présente des changements de formes remarquables. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies dans la compréhension de leur dynamique en milieu infini. Ce manuscrit s’intéresse à la transition de formes et à la migration latérale d’une vésicule dans des écoulements confinés. L’approche est numérique, basée sur une méthode aux éléments finis de frontière (BEM) isogéométrique. Partant d’une version existante pour les écoulements de Stokes non confiné, un code original est développé pour prendre en compte les parois de microcanaux de section transversale arbitraire. L’essentiel des études porte sur la dynamique d’une vésicule transportée par un écoulement de Poiseuille dans une conduite de section circulaire. Tout d’abord, nous examinons les formes typiques des vésicules, les différents modes de migration latérale et la structure de l’écoulement des lipides dans la membrane, en fonction des trois paramètres sans dimension caractéristiques : le volume réduit, le confinement et le nombre capillaire (de flexion). Les transitions de forme et le diagramme de phase de formes stables pour plusieurs volumes réduits sont obtenus dans l’espace (confinement, nombre capillaire). Ils montrent une extension de l’ensemble des morphologies de la vésicule. L’interaction complexe entre la paroi du tube, les contraintes hydrodynamiques et l’élasticité de flexion de la membrane conduit à une dynamique bien plus riche. Nous étudions ensuite, via une version axisymétrique du modèle, le comportement de la vésicule lorsque des conditions de confinement deviennent sévères et imposent des formes de vésicule axisymétriques. Un accent particulier est mis sur la prédiction de la mobilité de la vésicule et de la perte de charge additionnelle induite par la présence de la vésicule. Cette dernière est importante pour comprendre la rhéologie d’une suspension diluée. De plus, sur la base des résultats numériques du comportement proche du confinement maximal, nous établissons plusieurs lois d’échelle portant sur la vitesse de la vésicule et sa longueur, ainsi que sur l’épaisseur du film de lubrification. Enfin, nous présentons un modèle hybride BEM–coarse-graining permettant d’adjoindre un cytosquelette à une vésicule pour étendre nos études au cas des globules rouges. La modélisation coarse-graining du cytosquelette repose sur un réseau de ressorts identifié à l’ensemble des arêtes du maillage d’éléments finis de la membrane de la vésicule. Les résultats numériques montrent que ce modèle à deux composants vésicule–cytosquelette est capable d’extraire les propriétés mécaniques des globules rouges et de prédire sa dynamique dans les écoulements de fluide
Vesicles are a model system for understanding the dynamical behavior of a closed soft particle such as red blood cells (RBCs) in flows. The inextensible lipid bilayer membrane of a vesicle admits resistance to the bending elasticity, and its large surface-area-to-volume ratio allows the vesicle to exhibit remarkable shape changes in the dynamics even in a simple flow. Significant progress has been made over the past decades in understanding vesicle dynamics in unbounded Stokes flows. This manuscript deals with the numerical investigation of shape transition and lateral migration of 3D vesicles in wall-bounded Stokes flows by means of an isogeometric finite-element method (FEM) and boundary-element method (BEM). Starting from a previously reported isogeometric FEM-BEM simulations of the dynamics of soft particles (drops, capsule, and vesicle) in Stokes flows in free space, the original code is developed to account for microchannel walls of arbitrary cross-section. The present work focuses on the dynamics of a vesicle that is transported through a circular tube in a pressure-driven flow. First, we investigate typical vesicle shapes, different lateral migration modes, and flow structure onto vesicle membrane versus three independent dimensionless parameters, namely, the reduced volume, the confinement, and the (bending) capillary number. Shape transitions and the phase diagram of stable shapes for several reduced volumes are obtained in the (confinement, capillary number) space, showing an extension of the set of vesicle morphologies and rich vesicle dynamics owing to the intricate interplay among the tube wall, hydrodynamic stresses, and membrane bending. Secondly, we study, via an axisymmetric BEM, the hydrodynamics under high confinements in which the shape of the vesicle is expected to maintain axisymmetry. A particular emphasis is given to the prediction of the vesicle mobility and the extra pressure drop caused due to the presence of the vesicle, the latter having implications in the rheology of a dilute suspension. In addition, based on the numerical results of limiting behavior of quantities of interest near maximal confinement, we give various scaling laws to infer, for example, the vesicle velocity, its length, and the thickness of lubrication film. Finally, we present a coupled, hybrid continuum–coarse-grained model for the study of RBCs in fluid flows. This model is based on a combination of the vesicle model with a network of springs with fixed connectivity, representing the cytoskeleton. Numerical results show that this two-component vesicle–cytoskeleton model isable to extract the mechanical properties of RBCs and predict its dynamics in fluid flows

L'objet de ce travail consiste dans un premier temps en la modélisation d'une source plasma filaire en régime continu basse pression, puis, dans un second temps, en la caractérisation des propriétés d'une source d'ions développée sur la base de la source plasma préalablement étudiée. Un code particulaire permettant de modéliser le fonctionnement de la source plasma est ainsi développé, puis validé par comparaison avec les résultats d'une étude expérimentale. A la lueur des résultats de simulation, une analyse de la décharge en termes d'écoulement ionique de Child-Langmuir collisionnel en géométrie cylindrique est proposée, permettant alors d'interpréter la transition de mode comme une réorganisation naturelle de la décharge lorsque le courant de décharge excède un courant limite fonction de la tension de décharge, de la pression et de l'espace inter-électrodes. L'analyse de la fonction de distribution en énergie des ions impactant la cathode met par ailleurs en évidence la possibilité d'extraire un faisceau d'ions de faible dispersion en énergie autour de la tension de décharge, et ce sous réserve d'opérer la décharge dans son mode haute pression. Un prototype de source d'ions permettant l'extraction et l'accélération d'ions à partir de la source filaire est alors proposé. L'étude expérimentale d'un tel dispositif confirme le fait que l'adjonction d'un processus d'accélération se traduit par un simple décalage de la fonction de distribution en vitesse des ions d'une valeur correspondant à la tension d'accélération, mais ne l'élargit pas. Il est ainsi possible de produire des faisceaux d'ions de diverses espèces ioniques, d'énergie modulable (0-5 keV) et de dispersion en énergie limitée (~ 10 eV). Les courants de faisceau mesurés sont de quelques dizaines de micro-ampères, et la divergence d'un tel faisceau est de l'ordre du degré. Une modélisation numérique de cette source d'ions est finalement entreprise afin d'identifier de possibles optimisations du concept proposé
In this study we first model a DC low pressure wire plasma source and then characterize the properties of an ion gun derived from the plasma source. In order to study the properties of the derived ion gun, we develop a particle-in-cell code fitted to the modelling of the wire plasma source operation, and validate it by confrontation with the results of an experimental study. In light of the simulation results, an analysis of the wire discharge in terms of a collisional Child-Langmuir ion flow in cylindrical geometry is proposed. We interpret the mode transition as a natural reorganisation of the discharge when the current is increased above a threshold value which is a function of the discharge voltage, the pressure and the inter-electrodes distance. In addition, the analysis of the energy distribution function of ions impacting the cathode demonstrates the ability to extract an ion beam of low energy spread around the discharge voltage assuming that the discharge is operated in its high pressure mode. An ion source prototype allowing the extraction and acceleration of ions from the wire source is then proposed. The experimental study of such a device confirms that, apart from a shift corresponding to the accelerating voltage, the acceleration scheme does not spread the ion velocity distribution function along the axis of the beam. It is therefore possible to produce tunable energy (0-5 keV) ion beams of various ionic species presenting limited energy dispersion (~ 10 eV). The typical beam currents are about a few tens of micro-amperes, and the divergence of such a beam is on the order of one degree. A numerical modelling of the ion source is eventually conducted in order to identify potential optimizations of the concept

L'objet de ce travail consiste dans un premier temps en la modélisation d'une source plasma filaire en régime continu basse pression, puis, dans un second temps, en la caractérisation des propriétés d'une source d'ions développée sur la base de la source plasma préalablement étudiée. Un code particulaire permettant de modéliser le fonctionnement de la source plasma est ainsi développé, puis validé par comparaison avec les résultats d'une étude expérimentale. A la lueur des résultats de simulation, une analyse de la décharge en termes d'écoulement ionique de Child-Langmuir collisionnel en géométrie cylindrique est proposée, permettant alors d'interpréter la transition de mode comme une réorganisation naturelle de la décharge lorsque le courant de décharge excède un courant limite fonction de la tension de décharge, de la pression et de l'espace inter-électrodes. L'analyse de la fonction de distribution en énergie des ions impactant la cathode met par ailleurs en évidence la possibilité d'extraire un faisceau d'ions de faible dispersion en énergie autour de la tension de décharge, et ce sous réserve d'opérer la décharge dans son mode haute pression. Un prototype de source d'ions permettant l'extraction et l'accélération d'ions à partir de la source filaire est alors proposé. L'étude expérimentale d'un tel dispositif confirme le fait que l'adjonction d'un processus d'accélération se traduit par un simple décalage de la fonction de distribution en vitesse des ions d'une valeur correspondant à la tension d'accélération, mais ne l'élargit pas. Il est ainsi possible de produire des faisceaux d'ions de diverses espèces ioniques, d'énergie modulable (0-5 keV) et de dispersion en énergie limitée (~ 10 eV). Les courants de faisceau mesurés sont de quelques dizaines de micro-ampères, et la divergence d'un tel faisceau est de l'ordre du degré. Une modélisation numérique de cette source d'ions est finalement entreprise afin d'identifier de possibles optimisations du concept proposé.

Le caractère éminemment cinétique et hors équilibre de l'interaction laser-plasma et du transport électronique nécessite de résoudre le système complet des équations de Vlasov-Maxwell. Cette thèse se concentre sur les méthodes PIC (‘‘Particle-In-Cell''), et vise à en accroître le régime de fonctionnement. Tout d'abord, nous présentons l'analyse de stabilité linéaire d'un algorithme PIC explicite incluant l'effet de la discrétisation spatio-temporelle. Cette analyse met en exergue l'instabilité d'aliasing, que nous relions au problème, plus général, du chauffage numérique dans les codes PIC en régime surcritique. Nous montrons l'influence bénéfique de la montée en ordre du facteur de forme pour réduire ce chauffage, permettant ainsi d'atteindre des régimes de densité jusque là inaccessibles. Les codes PIC implicites ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de stabilité que leurs équivalents explicites. En particulier nous ne sommes plus tenus de résoudre les modes haute fréquence électroniques. Une telle propriété est particulièrement précieuse lorsqu'on modélise l'interaction entre un laser à ultra-haute intensité et un plasma fortement sur-critique. Nous présentons ici l'extension relativiste de la méthode implicite dite directe, en y incluant un paramètre d'amortissement ajustable et des facteurs de forme d'ordre élevé. Ce formalisme a été implémenté dans le code ELIXIRS, 2D en espace et 3D en vitesse. Ce code est validé sur de nombreux problèmes de physique des plasmas, allant de l'expansion d'un plasma à une ou deux températures électroniques, à l'interaction laser-plasma à haut-flux, en passant par les instabilités ‘‘deux faisceaux'' et de filamentation en régime relativiste. Nous montrons notamment la capacité du code à capturer les principales caractéristiques de l'interaction laser-plasma, malgré une discrétisation spatio-temporelle dégradée, autorisant ainsi des gains substantiels en temps de calcul
Laser-plasma interaction and electronic transport are pure kinetic processes thus requiring to solve the complete Vlasov-Maxwell system of equations. This thesis focuses on PIC (‘‘Particle-In-Cell'') methods, and is intended to widen the operating regime of such methods. First, we present the linear stability analysis of an explicit PIC algorithm including spatial and temporal step size effects. This study highlights the aliasing instability, which we link to the more intricate issue of numerical heating in PIC codes in the overcritical regime. We show the beneficial influence of using an increasingly high order weight function to drop this heating, thereby allowing to reach overcritical regimes relevant for comparison with experiments. Implicit PIC codes are not submitted to the constraints affecting their explicit counterparts. Particularly we can relax the need to solve high frequency electronic modes. Such a property is extremely valuable when we model the interaction between a high intensity laser and a highly overcritical plasma. Here, we give the relativistic extension of the direct implicit method, provided with an adjustable damping parameter and high order weight functions. This formalism was implemented in the code ELIXIRS, 2D in space and 3D in velocity. This code was validated for various plasma physics configurations, among them one or two electronic temperatures plasma expansions, high intensity laser-plasma interaction, and also beam-plasma instabilities in the relativistic regime. Especially, we prove the capability of the code to catch the main characteristics of the aforementioned phenomena, despite a crude spatio-temporal discretisation, thus providing significant gains of computation time

La dispersion de particules par une onde de souffle ou de choc induit la formation de structures régulières qui prennent la forme de jets de particules. Jusqu'à présent, les expériences n'ont été réalisées qu'en trois dimensions rendant difficile l'exploitation des données. Dans cette étude, une onde de souffle, générée à l'extrémité d'un tube à choc, débouche au centre d'un anneau de particules solides initialement confiné dans une cellule de Hele-Shaw. Pour la première fois, à partir d'une expérience de laboratoire, la formation de jets de particules est observée dans une configuration quasi bi-dimensionnelle et pour de faibles niveaux de pression. Grâce à un système de visualisation ultra-rapide, il a été mis en évidence que la sélection du nombre de jets de particules est un processus instationnaire. Nous avons observé que les jets de particules sont initialement formés à l'intérieur de l'anneau et sont ensuite expulsés à l'extérieur du front de particules en expansion. L'influence de nombreux paramètres, tels que la densité et le diamètre des particules, la surpression générée et la géométrie de l'anneau, ont été étudiées. La synthèse des résultats expérimentaux obtenus a permis d'établir certaines relations empiriques reliant le nombre de jets aux propriétés initiales. De plus, la formation de fines perturbations sur le front externe de la couche de particules a été observée. Ce phénomène est quant à lui indépendant des jets principaux et dépend seulement de la nature des particules
The dispersion of particles by a blast or a shock wave induces the formation of coherent structures which take the form of particle jets. All the experiments conducted so far have been performed in three-dimensional geometry. In the present study, a blast wave, issuing from the discharge of a planar shock wave at the exit of a conventional shock tube, is generated in the center of a granular medium ring initially confined inside a Hele-Shaw cell. With the present experimental set-up, under impulsive acceleration, a solid particle jet formation is clearly obtained and observed in a quasi-two-dimensional configuration, for the first time. From fast flow visualizations, we highlighted that the selection of the number of jets is unsteady. We noticed, in all instances, that the jets are initially generated inside the particle ring and thereafter expelled outward. This point has not been observed in three-dimensional experiments. The influence of many parameters such as density and diameter of particles, the generated pressure and the geometry of the ring, has been studied. Empirical relationships were deduced from the experimental curves. Moreover, we observed in detail the formation of very thin perturbations created around the external surface of the dispersed particle layer. This phenomenon is independent of the main jet formation and solely depends on the nature of particles

Le caractère éminemment cinétique et hors équilibre de l'interaction laser-plasma et du transport électronique nécessite de résoudre le système complet des équations de Vlasov-Maxwell. Cette thèse se concentre sur les méthodes PIC (‘‘Particle-In-Cell''), et vise à en accroître le régime de fonctionnement. Tout d'abord, nous présentons l'analyse de stabilité linéaire d'un algorithme PIC explicite incluant l'effet de la discrétisation spatio-temporelle. Cette analyse met en exergue l'instabilité d'aliasing, que nous relions au problème, plus général, du chauffage numérique dans les codes PIC en régime surcritique. Nous montrons l'influence bénéfique de la montée en ordre du facteur de forme pour réduire ce chauffage, permettant ainsi d'atteindre des régimes de densité jusque là inaccessibles. Les codes PIC implicites ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de stabilité que leurs équivalents explicites. En particulier nous ne sommes plus tenus de résoudre les modes haute fréquence électroniques. Une telle propriété est particulièrement précieuse lorsqu'on modélise l'interaction entre un laser à ultra-haute intensité et un plasma fortement sur-critique. Nous présentons ici l'extension relativiste de la méthode implicite dite directe, en y incluant un paramètre d'amortissement ajustable et des facteurs de forme d'ordre élevé. Ce formalisme a été implémenté dans le code ELIXIRS, 2D en espace et 3D en vitesse. Ce code est validé sur de nombreux problèmes de physique des plasmas, allant de l'expansion d'un plasma à une ou deux températures électroniques, à l'interaction laser-plasma à haut-flux, en passant par les instabilités ‘‘deux faisceaux'' et de filamentation en régime relativiste. Nous montrons notamment la capacité du code à capturer les principales caractéristiques de l'interaction laser-plasma, malgré une discrétisation spatio-temporelle dégradée, autorisant ainsi des gains substantiels en temps de calcul.

Les particules chargées énergétiques sont omniprésentes dans l'Univers et sont accélérées par des sources galactiques et extragalactiques. Comprendre l'origine de ces "rayons cosmiques" est crucial en astrophysique et dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire à haute densité d'énergie, nous avons développé une nouvelle plate-forme sur les installations laser LULI pour étudier l'accélération de particules. Dans les expériences, la collision de deux plasmas contre-propageant produits par laser génère une distribution non thermique de particules allant jusqu'à 1 MeV d'énergie. L'objectif de ce travail est de fournir un cadre théorique pour comprendre leur origine. Des simulations magnéto-hydrodynamiques avec des particules tests montrent que la collision des plasmas conduit à la croissance de structures caractéristiques de l'instabilité de Rayleigh-Taylor magnétique et à la génération de forts champs électriques. Nous constatons que les particules sont accélérées à des énergies allant jusqu'à quelques centaines de keV en moins de 20 ns, par des interactions répétées avec les perturbations de Rayleigh-Taylor. Les simulations et un modèle d'accélération stochastique reproduisent bien le spectre expérimental. En conclusion, nous avons identifié en laboratoire un nouveau mécanisme d'accélération de particules qui repose sur la croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor magnétique pour accélérer de manière stochastique les particules. Cette instabilité est fréquente dans les plasmas astrophysiques, avec par exemple les restes de supernovæ et les éjections de masse coronale, et nous suggérons qu'elle peut contribuer à l'accélération de particules dans ces systèmes
Energetic charged particles are ubiquitous in the Universe and are accelerated by galactic and extragalactic sources. Understanding the origin of these "cosmic rays" is crucial in astrophysics and within the framework of high-energy-density laboratory astrophysics we have developed a novel platform on the LULI laser facilities to study particle acceleration in the laboratory. In the experiments, the collision of two laser-produced counter-propagating plasmas generates a distribution of non-thermal particles with energies up to 1 MeV. The aim of this work is to provide a theoretical framework to understand their origin. Magneto-hydrodynamic simulations with test particles show that the plasma collision leads to the growth of bubble and spike structures driven by the magnetic Rayleigh-Taylor instability and the generation of strong electric fields. We find that particles are accelerated to energies up to a few hundred of keV in less than 20 ns, by repeated interactions with these growing magnetic Rayleigh-Taylor perturbations. The simulations and a stochastic acceleration model recover very well the experimentally measured non-thermal energy spectrum. In conclusion, we have identified in the laboratory a new particle acceleration mechanism that relies on the growth of the magnetic Rayleigh-Taylor instability to stochastically energize particles. This instability is very common in astrophysical plasmas, with examples including supernovae remnants and coronal mass ejections, and we suggest that it may contribute to the energization of particles in these systems

Les accélérateurs par onde de sillage plasma produites par faisceaux de particules (PWFA) ou par faisceaux laser (LWFA) appartiennent à un nouveau type d’accélérateurs de particules particulièrement prometteur. Ils permettent d’exploiter des champs accélérateurs jusqu’à cent Gigaélectronvolt par mètre alors que les dispositifs conventionnels se limitent à cent Megaélectronvolt par mètre. Dans le schéma d’accélération par onde de sillage plasma, ou par onde de sillage laser, un faisceau de particules ou une impulsion laser se propage dans un plasma et créé une structure accélératrice dans son sillage : c’est une onde de densité électronique à laquelle sont associés des champs électromagnétiques dans le plasma. L’un des principaux résultats de cette thèse a été la démonstration de l’accélération par onde de sillage plasma d’un paquet distinct de positrons. Dans le schéma utilisé, un plasma de Lithium était créé dans un four, et une onde plasma était excitée par un premier paquet de positrons (le drive ou faisceau excitateur) et l’énergie était extraite par un second faisceau (le trailing ou faisceau témoin). Un champ accélérateur de 1,36 GeV/m a ainsi été obtenu durant l’expérience, pour une charge accélérée typique de 40 pC. Nous montrons également ici la possibilité d’utiliser différents régimes d’accélération qui semblent très prometteurs. Par ailleurs, l’accélération de particule par sillage laser permet quant à elle, en partant d’une impulsion laser femtoseconde de produire un faisceau d’électron quasi-monoénergétique d’énergie typique de l’ordre de 200 MeV. Nous présentons les résultats d’une campagne expérimentale d’association de ce schéma d’accélération par sillage laser avec un schéma d’accélération par sillage plasma. Au cours de cette expérience un faisceau d’électrons créé par laser est refocalisé lors d’une interaction dans un second plasma. Une étude des phénomènes associés à cette plateforme hybride LWFA-PWFA est également présentée. Enfin, le schéma hybride LWFA-PWFA est prometteur pour optimiser l’émission de rayonnement X par les électrons du faisceau de particule crée dans l’étage LWFA de la plateforme. Nous présentons dans un dernier temps la première réalisation expérimentale d’un tel schéma et ses résultats prometteurs
Plasma wakefield accelerators (PWFA) or laser wakefield accelerators (LWFA) are new technologies of particle accelerators that are particularly promising, as they can provide accelerating fields of hundreds of Gigaelectronvolts per meter while conventional facilities are limited to hundreds of Megaelectronvolts per meter. In the Plasma Wakefield Acceleration scheme (PWFA) and the Laser Wakefield Acceleration scheme (LWFA), a bunch of particles or a laser pulse propagates in a gas, creating an accelerating structure in its wake: an electron density wake associated to electromagnetic fields in the plasma. The main achievement of this thesis is the very first demonstration and experimental study in 2016 of the Plasma Wakefield Acceleration of a distinct positron bunch. In the scheme considered in the experiment, a lithium plasma was created in an oven, and a plasma density wave was excited inside it by a first bunch of positrons (the drive bunch) while the energy deposited in the plasma was extracted by a second bunch (the trailing bunch). An accelerating field of 1.36 GeV/m was reached during the experiment, for a typical accelerated charge of 40 pC. In the present manuscript is also reported the feasibility of several regimes of acceleration, which opens promising prospects for plasma wakefield accelerator staging and future colliders. Furthermore, this thesis also reports the progresses made regarding a new scheme: the use of a LWFA-produced electron beam to drive plasma waves in a gas jet. In this second experimental study, an electron beam created by laser-plasma interaction is refocused by particle bunch-plasma interaction in a second gas jet. A study of the physical phenomena associated to this hybrid LWFA-PWFA platform is reported. Last, the hybrid LWFA-PWFA scheme is also promising in order to enhance the X-ray emission by the LWFA electron beam produced in the first stage of the platform. In the last chapter of this thesis is reported the first experimental realization of this last scheme, and its promising results are discussed

La radiothérapie utilise des faisceaux de particules dans le but d'irradier et d'éliminer les tumeurs cancéreuses tout en épargnant au maximum les tissus sains. La perte d'énergie en forme de pic de Bragg des protons dans la matière permet une amélioration balistique du dépôt de la dose par rapport aux rayons X. Le volume irradié peut ainsi être précisément ajusté au volume tumoral. Cette thèse, dans le cadre du projet RACCAM, vise à étudier et à mettre au point le design d'une installation de protonthérapie basée sur un accélérateur de particules à champ fixe et à gradient alterné FFAG dans le but de construire un aimant FFAG à secteur spiral pour validation. Nous présentons tout d'abord la protonthérapie pour définir un cahier des charges médicales définissant les critères techniques d'une installation de protonthérapie. Puis nous introduisons les accélérateurs FFAG par une présentation des projets passés et en cours dans le monde avant de développer la théorie de la dynamique faisceau dans le cas de l'optique à focalisation invariante. Nous décrivons ensuite les outils de modélisation et simulation mis au point pour étudier cette dynamique faisceau dans une optique FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral. Nous expliquons par la suite la recherche des paramètres de l'optique ayant abouti à la construction d'un aimant prototype. Enfin, nous décrivons l'installation de protonthérapie du projet RACCAM depuis le cyclotron injecteur jusqu'au système d'extraction
Radiotherapy uses particle beams to irradiate and kill cancer tumors while sparing healthy tissues. Bragg peak shape of the proton energy loss in matter allows a ballistic improvement of the dose deposition compared with X rays. Thus, the irradiated volume can be precisely adjusted to the tumour. This thesis, in the frame of the RACCAM project, aims to the study and the design of a proton therapy installation based on a fixed field alternating gradient (FFAG) accelerator in order to build a spiral sector FFAG magnet for validation. First, we present proton therapy to define medical specifications leading to the technical specifications of a proton therapy installation. Secondly, we introduce FFAG accelerators through their past and on-going projects which are on their way around the world before developing the beam dynamic theories in the case of invariant focusing optics (scaling FFAG). We describe modelling and simulation tools developed to study the dynamics in a spiral scaling FFAG accelerator. Then we explain the spiral optic parameter search which has leaded to the construction of a magnet prototype. Finally, we describe the RACCAM project proton therapy installation starting from the injector cyclotron and ending with the extraction system

La radiothérapie utilise des faisceaux de particules dans le but d'irradier et d'éliminer les tumeurs cancéreuses tout en épargnant au maximum les tissus sains. La perte d'énergie en forme de pic de Bragg des protons dans la matière permet une amélioration balistique du dépôt de la dose par rapport aux rayons X. Le volume irradié peut ainsi être précisément ajusté au volume tumoral. Cette thèse, dans le cadre du projet RACCAM, vise à étudier et à mettre au point le design d'une installation de protonthérapie basée sur un accélérateur de particules à champ fixe et à gradient alterné FFAG dans le but de construire un aimant FFAG à secteur spiral pour validation. Nous présentons tout d'abord la protonthérapie pour définir un cahier des charges médicales définissant les critères techniques d'une installation de protonthérapie. Puis nous introduisons les accélérateurs FFAG par une présentation des projets passés et en cours dans le monde avant de développer la théorie de la dynamique faisceau dans le cas de l'optique à focalisation invariante. Nous décrivons ensuite les outils de modélisation et simulation mis au point pour étudier cette dynamique faisceau dans une optique FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral. Nous expliquons par la suite la recherche des paramètres de l'optique ayant abouti à la construction d'un aimant prototype. Enfin, nous décrivons l'installation de protonthérapie du projet RACCAM depuis le cyclotron injecteur jusqu'au système d'extraction.

La qualité de l'air et l'efficacité de la ventilation dans les stations de métro souterraines sont des préoccupations en matière de santé et de sécurité. L'effet piston, causé par le passage des trains, contribue de manière significative aux mouvements d'air. La réalisation de mesures sur site étant coûteuse, l’utilisation de modèle permet d’étudier et de prédire la circulation de l'air dans ces environnements. Les différences entre les données mesurées et modélisées sont cependant rarement discutées. Cette thèse développe des modèles pour la circulation de l’air induite par les trains sur les quais des stations de métro. Un modèle de dynamique des fluides numérique (CFD) de la station en 3D avec un maillage dynamique est réalisé, et la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) est utilisée sur un modèle à l'échelle 1:95. Les deux modèles incluent le mouvement réaliste du train, comprenant la décélération, l'arrêt et le départ. Pour valider les modèles, des mesures de la vitesse de l’air à différentes positions sur le quai sont réalisées. Les résultats sont comparés à l'aide de paramètres de corrélation et de forme de pic. Ils montrent que les modèles capturent les principaux éléments de l’effet piston dans la station. Les résultats numériques comme expérimentaux révèlent des différences entre des positions proches les unes des autres, conséquences de caractéristiques de l'écoulement se développant à une fraction de l'échelle du quai dans le plan horizontal ; et des changements locaux de vitesse se produisent sur de courts intervalles de temps liés à la vitesse du train. Cependant, les prédictions plus fines concernant l'amplitude de la vitesse sont moins fiables, car limitées par des simplifications de la géométrie, des conditions aux limites, et des considérations d'échelle. Malgré ces limitations, les modèles permettent d’étudier comment les variations de l’architecture de la station et de la vitesse du train affectent la vitesse et les échanges d'air dans la station
Air quality and ventilation efficiency in underground subway stations are concerns for health and safety. The piston effect, caused by trains passing through the station, contributes significantly to air movements. Models are often used to study and predict airflow in these environments due to challenges in on-site measurements. However, the differences between measured and modeled data are rarely discussed. This thesis focuses on developing models for train-induced airflow on platforms of underground subway stations. A 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) model with a dynamic mesh is implemented to simulate the station. A small-scale model at 1:95 scale with Particle Image Velocimetry (PIV) is also used. Both models include the train's realistic movement, deceleration, stop, and departure phases. To validate the models, extensive on-site measurements are conducted, recording velocity magnitude at various platform positions. The results are compared using correlation and peak shape parameters. They show that models can capture the key elements of piston wind in the station: both the numerical and experimental results reveal that differences can be found between locations close to each other, that are the consequence of flow features developing at a fraction of the platform scale in the horizontal plane; and that local velocity changes occur over short time intervals scaling with the train velocity. However, finer predictions about the value of velocity magnitude are less reliable as they are bounded by simplifications of the geometry, of the boundary conditions and by scaling considerations. Despite these limitations, the models provide insights into flow patterns and are used to investigate how changes in station blockage ratio and train speed affect velocity magnitude and air exchanges in the station. The study concludes that the models are valuable tools for exploring platform airflow, but caution is needed in interpreting fine-scale velocity predictions

Cette thèse est dédiée à l’analyse et la modélisation d'expériences où la position d'un traceur dans le milieu cellulaire est enregistrée au cours du temps. Il s’agit de pouvoir de retirer le maximum d’information à partir d’une seule trajectoire observée expérimentalement. L’enjeu principal consiste à identifier les mécanismes de transport sous-jacents au mouvement observé. La difficulté de cette tâche réside dans l’analyse de trajectoires individuelles, qui requiert de développer de nouveaux outils d’analyse statistique. Dans le premier chapitre, un aperçu est donné de la grande variété des dynamiques observables dans le milieu cellulaire. Notamment, une revue de différents modèles de diffusion anormale et non-Gaussienne est réalisée. Dans le second chapitre, un test est proposé afin de révéler la rupture d'ergodicité faible à partir d’une trajectoire unique. C’est une généralisation de l’approche de M. Magdziarz et A. Weron basée sur la fonction caractéristique du processus moyennée au cours du temps. Ce nouvel estimateur est capable d’identifier la rupture d’ergodicité de la marche aléatoire à temps continu où les temps d'attente sont distribués selon une loi puissance. Par le calcul de la moyenne de l’estimateur pour plusieurs modèles typiques de sous diffusion, l’applicabilité de la méthode est démontrée. Dans le troisième chapitre, un algorithme est proposé afin reconnaître à partir d’une seule trajectoire les différentes phases d'un processus intermittent (e.g. le transport actif/passif à l'intérieur des cellules, etc.). Ce test suppose que le processus alterne entre deux phases distinctes mais ne nécessite aucune hypothèse sur la dynamique propre dans chacune des phases. Les changements de phase sont capturés par le calcul de quantités associées à l’enveloppe convexe locale (volume, diamètre) évaluées au long de la trajectoire. Il est montré que cet algorithme est efficace pour distinguer les états d’une large classe de processus intermittents (6 modèles testés). De plus, cet algorithme est robuste à de forts niveaux de bruit en raison de la nature intégrale de l’enveloppe convexe. Dans le quatrième chapitre, un modèle de diffusion dans un milieu hétérogène où le coefficient de diffusion évolue aléatoirement est introduit et résolu analytiquement. La densité de probabilité des déplacements présente des queues exponentielles et converge vers une Gaussienne au temps long. Ce modèle généralise les approches précédentes et permet ainsi d’étudier en détail les hétérogénéités dynamiques. En particulier, il est montré que ces hétérogénéités peuvent affecter de manière drastique la précision de mesures effectuées sur une trajectoire par des moyennes temporelles. Dans le dernier chapitre, les méthodes d’analyses de trajectoires individuelles sont utilisées pour étudier deux expériences. La première analyse effectuée révèle que les traceurs explorant le cytoplasme montrent que la densité de probabilité des déplacements présente des queues exponentielles sur des temps plus longs que la seconde. Ce comportement est indépendant de la présence de microtubules ou du réseau d’actine dans la cellule. Les trajectoires observées présentent donc des fluctuations de diffusivité témoignant pour la première fois de la présence d’hétérogénéités dynamiques au sein du cytoplasme. La seconde analyse traite une expérience dans laquelle un ensemble de disques de 4mm de diamètre a été vibré verticalement sur une plaque, induisant un mouvement aléatoire des disques. Par une analyse statistique approfondie, il est démontré que cette expérience est proche d'une réalisation macroscopique d'un mouvement Brownien. Cependant les densités de probabilité des déplacements des disques présentent des déviations par rapport à la Gaussienne qui sont interprétées comme le résultat des chocs inter-disque. Dans la conclusion, les limites des approches adoptées ainsi que les futures pistes de recherches ouvertes par ces travaux sont discutées en détail
This thesis is dedicated to the analysis and modeling of experiments where the position of a tracer in the cellular medium is recorded over time. The goal is to be able to extract as much information as possible from a single experimentally observed trajectory. The main challenge is to identify the transport mechanisms underlying the observed movement. The difficulty of this task lies in the analysis of individual trajectories, which requires the development of new statistical analysis tools. In the first chapter, an overview is given of the wide variety of dynamics that can be observed in the cellular medium. In particular, a review of different models of anomalous and non-Gaussian diffusion is carried out. In the second chapter, a test is proposed to reveal weak ergodicity breaking from a single trajectory. This is a generalization of the approach of M. Magdziarz and A. Weron based on the time-averaged characteristic function of the process. This new estimator is able to identify the ergodicity breaking of continuous random walking where waiting times are power law distributed. By calculating the average of the estimator for several subdiffusion models, the applicability of the method is demonstrated. In the third chapter, an algorithm is proposed to recognize the different phases of an intermittent process from a single trajectory (e.g. active/passive transport within cells, etc.).This test assumes that the process alternates between two distinct phases but does not require any hypothesis on the dynamics of each phase. Phase changes are captured by calculating quantities associated with the local convex hull (volume, diameter) evaluated along the trajectory. It is shown that this algorithm is effective in distinguishing states from a large class of intermittent processes (6 models tested). In addition, this algorithm is robust at high noise levels due to the integral nature of the convex hull. In the fourth chapter, a diffusion model in a heterogeneous medium where the diffusion coefficient evolves randomly is introduced and solved analytically. The probability density function of the displacements presents exponential tails and converges towards a Gaussian one at long time. This model generalizes previous approaches and thus makes it possible to study dynamic heterogeneities in detail. In particular, it is shown that these heterogeneities can drastically affect the accuracy of measurements made by time averages along a trajectory. In the last chapter, single-trajectory based methods are used for the analysis of two experiments. The first analysis carried out shows that the tracers exploring the cytoplasm show that the probability density of displacements has exponential tails over periods of time longer than the second. This behavior is independent of the presence of both microtubules and the actin network in the cell. The trajectories observed therefore show fluctuations in diffusivity, indicating for the first time the presence of dynamic heterogeneities within the cytoplasm. The second analysis deals with an experiment in which a set of 4mm diameter discs was vibrated vertically on a plate, inducing random motion of the disks. Through an in-depth statistical analysis, it is demonstrated that this experiment is close to a macroscopic realization of a Brownian movement. However, the probability densities of disks’ displacements show deviations from Gaussian which are interpreted as the result of inter-disk shocks. In the conclusion, the limits of the approaches adopted as well as the future research orientation opened by this thesis are discussed in detail

Le système immunitaire adaptatif joue un rôle de premier plan dans la défense contre les infections. La réponse humorale, impliquant la production d'anticorps, est un élément important de la réponse immunitaire adaptative. Au cours d'une infection, des cellules B spécifiques du système immunitaire prolifèrent et libèrent de grandes quantités d'anticorps qui se lient sélectivement à la protéine cible (antigène) trouvée sur le pathogène invasif, induisant la destruction du pathogène.Cependant, le système immunitaire ne répond pas toujours suffisamment efficacement pour détruire les agents pathogènes, et les mécanismes de tolérance empêchent la génération d'anticorps contre les protéines humaines - comme les marqueurs de surface cellulaire sur les cellules cancéreuses ou les cytokines impliquées dans des maladies inflammatoires et auto-immunes - qui pourraient être des cibles thérapeutiques importantes. Par conséquent, il existe un grand intérêt pour la recherche et le développement d'anticorps spécifiques qui peuvent être utilisés pour le traitement des patients par immunothérapie. En raison de leur grande affinité et de leur liaison sélective aux antigènes, les anticorps monoclonaux (mAbs) sont apparus comme des agents thérapeutiques puissants. Les anticorps monoclonaux dérivés de cellules B individuelles ont une séquence unique et présentent une affinité de liaison pour un antigène spécifique. Cependant, jusqu'à maintenant, la découverte des mAbs a été limitée par l'absence de méthodes à haut débit pour le criblage direct et à grande échelle de cellules B primaires non immortalisées pour découvrir les rares cellules B qui produisent des anticorps spécifiques d'intérêt clinique. Ceci est maintenant possible avec l'émergence et l'amélioration des méthodes de compartimentation in vitro pour l'encapsulation et le criblage de cellules uniques dans des gouttelettes picolitriques. Dans mon projet de doctorat, je décris le développement d'immunodosages et de dispositifs microfluidiques pour le criblage phénotypique direct de cellules individuelles à partir de populations de cellules B enrichies. Ce développement a permis une analyse détaillée de la réponse immunitaire humorale, avec une résolution à l’échelle de la cellule unique. C’est aussi un élément essentiel d'un pipeline de détection d'anticorps couplant le criblage phénotypique de cellules individuelles au séquençage d'anticorps sur cellules uniques. Il est maintenant possible, pour la première fois, de cribler des millions de cellules B individuelles en fonction de l'activité de liaison des anticorps sécrétés et de récupérer les séquences d'anticorps
The adaptive immune system plays a leading role in defense against infection. The humoral response, involving the production of antibodies, is an important component of the adaptive immune response. During an infection, specific B cells of the immune system proliferate and release large amounts of antibodies which bind selectively to the target protein (antigen) found on the invading pathogen, inducing destruction of the pathogen. However, the immune system does not always respond efficiently enough to destroy pathogens, and tolerance mechanisms prevent the generation of antibodies against human protein - such as cell surface markers on cancer cells or cytokines involved in inflammatory and autoimmune disease - that could be important therapeutic targets. Hence, there is great interest in research and development of specific antibodies that can be used for immunotherapy of patients. Due to their high affinity and selective binding to antigens, monoclonal antibodies (mAbs) have emerged as powerful therapeutic agents. Monoclonal antibodies derived from single B cells have a unique sequence and display binding affinity for a specific antigen. However, until now, the discovery of mAbs has been limited by the lack of high-throughput methods for the direct and large-scale screening of non-immortalized primary B cells to uncover rare B cells which produce the specific antibodies of clinical interest. This is now becoming possible with the emergence and improvement of in vitro compartmentalization methods for single-cell encapsulation and screening in picoliter droplets. In my PhD project, I describe the development of binding immunoassays and microfluidic devices for the direct phenotypic screening of single-cells from enriched B cell populations. This development has enabled detailed analysis of the humoral immune response, with single-cell resolution and is an essential component of an antibody-discovery pipeline coupling single-cell phenotypic screening to single-cell antibody sequencing. It is now possible, for the first time, to screen millions of single B cells based on the binding activity of the secreted antibodies and to recover the antibody sequences