SINUMER : SImulateur NUmérique Multi-échelle d’Epithélium Respiratoire

ANR 2018

Parmi les 7 lauréats ANR :

Projets Appel à projets générique 2018 CE45 - Mathématique, informatique, automatique, traitement du signal pour répondre aux défis de la biologie et de la santé

«Instrument de financement : Jeunes Chercheuses et Jeunes Chercheurs (JCJC)» :

Julien FAVIER ,

porteur du projet SINUMER

L'objectif du projet SINUMER est de construire un simulateur numérique capable de capturer les mécanismes physiques principaux du transport du mucus dans les poumons humains, et l'utiliser pour progresser dans la compréhension de l'asthme sévère et des maladies pulmonaires obstructives chroniques (BPCO). Ces maladies respiratoires chroniques affectent de nos jours des centaines de millions de personnes, et il n'existe toujours pas de traitement curatif disponible à l’heure actuelle. Cependant, ce fléau mondial ne cesse de croître en raison de l'augmentation des agents toxiques et des polluants dans l'air des sociétés urbaines modernes.

À la racine de ces troubles respiratoires, se trouve l'épithélium bronchique, où est transporté le mucus, un liquide complexe alimenté par le battement coordonné de milliards de cils microscopiques portés par les cellules épithéliales. Ces cils peuvent synchroniser leurs battements et produire des vagues typiques qui transportent le mucus à travers l'arbre bronchique. Ce transport est déterminé par des mécanismes physiques largement inconnus impliquant un couplage hydrodynamique entre les battements ciliaires et le fluide non-newtonien multiphasique environnant.

L'environnement numérique construit dans SINUMER sera le premier du genre en recherche respiratoire à ce niveau de réalisme, en profitant d'une approche interdisciplinaire qui combine des expériences et des savoir-faire complémentaires sur le transport mucociliaire, acquis de manière indépendante dans chaque discipline, et une synergie reliant la mécanique des fluides numérique, les expériences biophysiques et la médecine.

L'environnement numérique sera utilisé pour deux objectifs:

- le premier est de mieux comprendre les mécanismes biophysiques multi-échelles impliqués dans le transport du mucus, depuis les cils individuels jusqu'à leur mouvement collectif macroscopique, en révèlant les lois macroscopiques permettant de relier l'échelle microscopique aux observables cliniques. Cela permettra d'élucider le rôle des paramètres de l'épithélium: densité, fréquence, direction, battements et coordination des cils, et rhéologie du mucus;

- le second est de fournir un outil de diagnostic numérique pour les maladies respiratoires chroniques, basé sur l'identification des marqueurs biophysiques pertinents de l'altération mucociliaire. Les perspectives sont donc d'étudier in vitro et in silico des stratégies innovantes pour le développement de la thérapeutique curative, et non seulement symptomatique.

La perspective est d'enrichir les connaissances sur les maladies chroniques des voies aériennes, leurs phénotypes et leurs diagnostics grâce à un nouvel éclairage apporté par la simulation numérique, et de fournir un outil numérique fiable et performant pour les diagnostics thérapeutiques en pratique clinique. Une telle approche “in-silico” intégrée devrait conduire à des stratégies innovantes pour le traitement curatif des maladies respiratoires chroniques. De plus, l'ambition à plus long terme du projet SINUMER est d'aller vers une description physique personnalisée des pathologies qui repose sur l'empreinte numérique individualisée de la clairance de chaque patient pour progresser sur le grand enjeu de la «médecine personnalisée». Un résultat important de SINUMER pour la communauté médicale est de fournir des modifications profondes de la façon dont les maladies respiratoires chroniques sont cliniquement considérées, en recentrant les efforts sur le transport mucociliaire.