19 novembre 2018
- Simulations numériques du transport et du mélange de mucus bronchique par battement ciliaire métachronal / Soutenance de thèse Sylvain CHATEAU
Doctorant : Sylvain CHATEAU
Date de la soutenance : lundi 19 Novembre 2018 à 9h30 / amphithéâtre n°3 / Centrale Marseille
Résumé de la thèse:
La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliers d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, du fait que les observations expérimentales sont extrêmement difficiles à réaliser, les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons la simulation numérique afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes. Dans un premier temps, nous considérons des tapis de cils battant initialement dans des étapes aléatoires de leur battement. Nous observons qu'une rétroaction purement hydrodynamique de la part des fluides sur les cils permets la synchronisation de ces derniers, et amène soit à l'émergence d'ondes métachronales antiplectiques, symplectiques, ou bien synchrones. Dans un second temps, nous analysons les capacités de transport et de mélange de ces trois types d'ondes. Les ondes antiplectiques se révèlent être les meilleures à transporter et mélanger les fluides, et les plus avantageuses d'un point de vue énergétique. Pour les trois types de coordination ciliaire, le mélange est chaotique. Il est puissant près de la région ciliée, et faible dans les régions éloignées. Dans un troisième temps, nous expliquons la meilleure efficacité des ondes antiplectiques sur les ondes synchrones et symplectiques par un phénomène d'aspiration-soufflage qui se produit au niveau de l'interface entre le mucus et le fluide périciliaire. Ce mécanisme permet à la pointe des cils battant en organisation antiplectique de pénétrer plus profondément dans le mucus durant la phase de poussée, et d'en être plus éloignés lors de la phase de récupération. La compétition entre ce phénomène, et l'effet de lubrification du mucus grâce au fluide périciliaire, est aussi étudiée aux travers de différents paramètres. Enfin, dans un dernier temps, les effets de l'asymétrie temporelle dans le battement des cils sont étudiés. Nous trouvons qu'une phase de poussée occupant environ 30 % de la période de battement, tel ce qui est observé dans la nature, correspond à un optimum énergétique dans le cas des ondes antiplectiques.
Mots clés : Frontières Immergées, Clairance mucociliaire, Propulsion ciliaire, Ondes métachronales
Jury:
Directeur de these Julien FAVIER Aix Marseille Université, Laboratoire M2P2
Rapporteur Franck NICOUD Université de Montpellier
Rapporteur Philippe PONCET Université de Pau et des Pays de l'Adour
Examinateur Benjamin MAUROY CNRS / Université de Nice
CoDirecteur de these Sébastien PONCET Université de Sherbrooke & Aix Marseille Université
CoDirecteur de these Umberto D'ORTONA CNRS / Aix Marseille Université, Laboratoire M2P2
Examinateur Annie VIALLAT CNRS / Aix Marseille Université
Examinateur Stéphane MOREAU Université de Sherbrooke
