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Biomécanique des Interactions et de l’Organisation des Tissus et des Cellules

par F.Gibier, lefloch - publié le , mis à jour le


L’activité de l’équipe BIOTIC (Biomécanique des Interactions et de l’Organisation des Tissus et des Cellules) du LMGC est centrée sur l’étude biomécanique des tissus humains, notamment les tissus mous, et des cellules qui les composent. Les approches développées visent à tenir compte des interactions (entre phases, fluide/structure, contact…), des transferts (thermiques, chimiques, de masses, électriques…) et des aspects multi-échelles. Les travaux de l’équipe s’articulent autour de deux axes interconnectés. Le premier porte sur la caractérisation des comportements ainsi que sur la rhéologie des tissus et des cellules. Le second concerne plus particulièrement leur évolution dans le temps : structuration du cytosquelette, morphogenèse tissulaire, croissance des tissus fibreux tels que les cartilages, étude du risque de rupture des anévrismes cérébraux...
Les travaux sont basés sur l’imagerie médicale, l’expérimentation multi-physiques, la modélisation et la simulation « patient spécifique ». Un objectif majeur est d’apporter une aide au diagnostic, à la prise en charge thérapeutique et à la prévention. Dans ce contexte quelques études sont également menées sur l’optimisation de dispositifs médicaux implantables.

11 Membres

PERMANENTS NON PERMANENTS

Thématiques de recherche


Accès au projet 2014-2019 de l’équipe


Publications de l’équipe BIOTIC (2014-2016)

Publications de l’équipe CGB (2008-2013)

Secrétariat
Cyril VIDEAU
Tél : 04 67 14 37 54
Fax : 04 67 14 39 23
cyril.videau@umontpellier.fr



Axe 1 : Modélisation et caractérisation des tissus et des cellules


Notre hypothèse de travail sur cet axe est que l’état mécanique des tissus mous nous renseigne sur leur état physiologique donc sur l’état de santé du patient ; Ainsi, les propriétés mécaniques des organes nous renseignent sur la pathologie dont ils souffrent et en particulier du niveau de gravité de leur atteinte. Plus fondamentalement, la connaissance fine des propriétés physiques des tissus (rigidité, perméabilité, densité de charges électriques…) nous permet de mieux comprendre leur comportement, pour le reproduire afin de les remplacer (axe 3) ainsi que pour mieux comprendre leur évolution (axe 2).

- Anévrismes et artères cérébrales :
Depuis quelques années l’équipe travaille en collaboration avec différents CHU français sur la caractérisation mécanique des anévrismes cérébraux ainsi que des artères intracrâniennes. Des tests mécaniques de traction uniaxiale en atmosphère contrôlée (contrôle de la température et de l’hydratation) sont réalisés.






- Disque intervertébral et scoliose idiopathique chez les adolescentes :
La collaboration avec les CHU de Nîmes, de Lyon et de Toulouse a pour objectif de comprendre le développement de la scoliose idiopathique chez les adolescentes. Notre hypothèse est la déstabilisation de la symétrie géométrique des disques intervertébraux au cours de leur forte croissance. La croissance du cartilage, issue de l’activité des celules (chondrocytes) qui les composent, est liée aux mouvements de fluides par convection lors des déformations diurnes, transportant les nutriments aux cellules et qui est directement dépendante des propriétés anisotropes et hyperélastiques de ce tissu, ainsi que de la cartographie de sa perméabilité et de sa densité de charges électriques. L’effort effectué n’est donc pas qu’expérimental, puisque les outils permettant de modéliser ce comportement sont aussi développés au sein de l’équipe. Dernièrement, cet axe de recherche alimente aussi le développement d’une prothèse discale biomimétique.






- Évaluation de l’état du ventricule gauche chez l’hypertendu :
Avec le centre de cardiologie du CHU de Montpellier, nous travaillons sur l’évaluation in-vivo de la performance du ventricule gauche. Le travail de modélisation de la relation pression-volume réalisé durant la thèse de B. Bonnet a permis son application clinique sur une population de sujets hypertendus. Ces premiers résultats positifs ont permis la mise en place d’une étude randomisée sur l’influence de l’apport sodé sur le couplage ventriculo-aortique chez l’hypertendu. L’avantage de cette nouvelle méthode basée sur l’échocardiographie 3D en temps réel, permet de se passer de toutes les hypothèses géométriques qui étaient jusqu’alors nécessaires pour les études en imagerie bidimensionnelle.






- Thermologie :
Dans le cadre de notre collaboration avec l’équipe THM2 du LMGC, nous développons un savoir faire dans l’utilisation de la thermographie infrarouge au service de la santé. Les travaux ont débuté avec le thèse de D. Ratovoson sur la caractérisation thermomécanique de la peau et de son environnement direct []. Les activités dans ce domaine se poursuivent actuellement avec l’étude des signatures thermomécaniques dans le cadre de la rééducation fonctionnelle (collaboration avec le centre de rééducation fonctionnelle REEDUCspé) ainsi qu’en diabétologie en collaboration avec le CHU de Montpellier.




- Diaphragme (aussi présent dans axe 3)

- Caractérisation des efforts de pénétration d’aiguilles dans les guides de veine / dans les veines (aussi présent dans axe 3)



Axe 2 : Évolution, organisation et croissance des tissus mous


- Modèle de croissance des cartilages :
La compréhension du développement de la scoliose idiopathique chez les adolescentes est la motivation clinique initiale de ce projet de recherche, sachant que les outils et les connaissances qu’il dégage permettent déjà d’élargir les champs d’application. Nous nous intéressons à la croissance des cartilages qui ont la particularité d’être avasculaires, où la diffusion et la convection des éléments nutritifs sont donc primordiales. Nous avons deux approches complémentaires : l’une souhaite mettre en place les outils théoriques et numériques afin de proposer un modèle de croissance des cartilages, l’autre vise à « mesurer la croissance », via l’évolution de la géométrie, des propriétés physiques et surtout de l’état mécanique du tissu (contraintes et déformations résiduelles). Nous étudions à ce titre deux types de cartilages : celui constituant les disques intervertébraux et celui, de type articulaire, obtenu par différentiation de cellules souches cultivées par des collègues biologistes de l’IRMB (UMR INSERM/CHU/UM).

- Morphogenèse :
Ces travaux s’effectuent en collaboration interne au LMGC avec l’équipe SIGECO et externe avec des biologistes spécialistes des sciences de l’évolution de l’ISEM (UMR CNRS/UM). Il s’agit, en particulier, de déterminer le rôle des efforts mécaniques à l’échelle des cellules dans la mise en place des formes cellulaires polygonales spécifiques retrouvées au sein des épithéliums. Dans un premier temps, un modèle mécanique 2D a été développé et, suite au bon accord entre résultats numériques et observations expérimentales sur tissus monocouches, a mis en évidence le potentiel rôle « d’invariant régulateur » joué par les forces répulsives entre cellules et l’équilibre entre tensions et compressions au sein de chaque cellule constitutive, dans ce processus de morphogenèse. Une deuxième étape consiste maintenant dans le passage à la modélisation 3D afin de s’attaquer à l’étude biomécanique de la morphogenèse de tissus tridimensionnels, tant sains que pathologiques comme le cas des tumeurs épithéliales. Un lien est aussi possible avec les premières étapes de la genèse de cartilages articulaires par différentiation de cellules souches où une phase initiale de morphogenèse spécifique a aussi été observée.




Dispositif Médicaux Implantables (DMI)


Traitement des AVC :
Les Accidents Vasculaires Cérébraux (AVC) sont de deux types ; Les AVC ischémiques (artères obstruées) et hémorragiques (anévrismes). Pour chacun d’eux de nombreuses stratégies thérapeutiques se sont développées. A l’heure actuelle, il existe une forte activité autour des traitements endovasculaires. Ces thérapies, mini invasives, sont très largement réalisées à l’aide de dispositifs médicaux de type stent (maillage métallique déployable) délivrés à l’intérieur des artères cérébrales pathologiques. L’équipe BIOTIC travaille en collaboration avec le service de Neuroradiology du CHU de Montpellier sur l’optimisation de ces DMI.

- Stents retrievers :
Les stents retrivers sont utilisés pour traiter les vaisseaux intracrâniens bouchés. Généralement les artères sont obstruées par des caillots de sang appelés thrombus. La technique endovasculaire consiste à acheminer, à l’aide d’un micro cathéter, un stent dit « retiever » jusqu’au thrombus, à le déployer dans l’artère afin qu’il emprisonne le caillot et le retirer en effectuant le trajet inverse. L’équipe a testé l’ensemble des stents disponibles sur le marché français. Les tests ont consisté à caractériser ces DMI de manière mécanique et fonctionnelle. Pour la partie mécanique nous avons réalisé deux types d’essais. Des essais de compression radiale pour déterminer leur rigidité radiale (test communément employé dans la littérature) et des essais d’estimation de la pression radiale (test quantitatif seulement). Les tests fonctionnels ont été réalisés pour étudier le comportement des stents lors de leur navigation dans un réseau cérébral artificiel fabriqué en résine rigide transparente, par impression 3D. Les essais ont été réalisés avec et sans thrombus. L’activité se concentre actuellement sur la modélisation numérique de ces dispositifs afin d’accéder aux informations locales de pression et proposer des optimisations structurales.






- Stents flow diverter :
Un anévrisme est une hernie de l’artère cérébrale qui est une zone de faiblesse vulnérables aux surpressions. Une manière de les traiter est d’utiliser des stents de type flow diverter. Contrairement aux stents retrievers, les flow diverters (stent à diversion de flux) ont pour vocation à rester dans la tête du patient. L’objectif de ces DMI est de casser le flux sanguin entrant dans l’anévrisme afin de permettre l’activation du processus de thrombose dans la cavité anévrismale. Ainsi, une fois coagulé, le sang ne circule plus dans l’anévrisme et ce dernier reste protégé des surpressions. En collaboration avec la Sart-up Sim&Cure et le concours financier du Labex NUMEV, l’équipe participe aux tests et à l’analyse mécanique (structure et fluide) de ces dispositifs médicaux.




Traitement des atteintes cardiaques

- Cœur artificiel :
L’équipe BIOTIC collabore depuis plusieurs années avec des membres de l’IMAG ayant des compétences en mécanique des fluides. A ce titre, il a été développé une méthode de couplage fluide-structure, concrétisée par la mise au point d’un logiciel combinant deux codes de calcul (LMGC90 et Yales2Bio).
Pour plus de détails, lire l’article []... Un exemple de couplage a été utilisé pour étudier le comportement des membranes contenues dans le cœur artificiel développé par CARMAT.




- Valves cardiaques :
Récemment, nous avons entamé une étude sur la modélisation numérique des valves aortiques. Il s’agit dans cette étude, en collaboration avec Le docteur V. Ciobotaru de la clinique Franciscaine de Nîmes, de prédire les risques de ruptures de la paroi vasculaire de l’aorte lors du déploiement endovasulaire des valves artificielles. Ces dernières sont fixées sur des supports de type stent et suivant leurs tailles et leurs propriétés mécaniques peuvent rompre le tissu vasculaire du patient. Nos travaux portent actuellement sur la modélisation numérique de ces dispositifs.




- Reconstruction de la paroi thoracique : ostéosynthèse thoraciques
La chirurgie de reconstruction pariétale thoracique a recours à des implants d’ostéosynthèse à fixation costale, en titane ou alliages de titane. Des complications, parfois graves, ont été décrites suite à ces interventions, notamment par fractures d’implants. L’évolution des pratiques chirurgicales passe par la compréhension fine des conditions de contraintes pariétales liées aux mouvements respiratoires. Les déplacements de repères, assimilés aux zones de fixation costale des implants, ont été étudiés par stéréo-correlation, sur le peau et directement sur les côtes de patients au bloc opératoire, selon six degrés de liberté. La modélisation des implants a permis de confirmer le phénomène de rupture en fatigue pour le titane et d’identifier la flexion et la traction-compression comme les sollicitations mécaniques principales. Un nouvel implant sera prochainement proposé afin de pallier le phénomène de fatigue.




- Substrats artificiels pour l’ingénierie tissulaire :
Ces travaux s’effectuent en collaboration avec l’ISM (UMR CNRS/Aix-Marseille Université) et le LBTI (UMR CNRS/UCB Lyon). Il s’agit de développer des substrats artificiels fibreux, produits par « jet spray » au LBTI, mimant la matrice extracellulaire et fabriqués avec des polymères biocompatibles. L’idée est que les cellules (par exemple, fibroblastes) puissent coloniser ces substrats, non uniquement en surface mais dans leur volume, et digèrent progressivement les polymères biocompatibles pour les remplacer par des fibres de collagène qu’elles produisent. Toutefois, à ce jour, on ne connaît ni les propriétés mécaniques macroscopiques de ces substituts de synthèse, ni l’environnement mécanique résultant à l’échelle cellulaire, ni les possibilités qu’offrent ces substrats pour favoriser la différentiation de cellules pluripotentes. Ainsi, des expérimentations de culture cellulaire ainsi que des tests mécaniques sont effectués, couplés à des modèles biologiques et biomécaniques correspondants.