1 - Présentation
En biologie ou en médecine, l'imagerie fonctionnelle moderne permet l'interprétation d'expériences ou l'aide au diagnostic, efficacement et rapidement. Cependant, le site d'observation en est toujours le vivant, ce qui limite ou rend difficile -et cher - la simulation à souhait.
Le projet de collaboration Locale en Recheche a pour but de remplacer le contexte in vivo par celui in sillico : fournir aux biologistes et médecins un outil validé d'aide à la décisions. Le pouvoir prédictif de tels outils permettrait une meilleure compréhension des phénomènes biologiques ciblés, et dans un futur proche, une conception de soins optimisés.
La mise au point in silico de tels outils de simulation passe par un couplage fort et en boucle entre biologie, analyse d'image et modélisation mathématique.
Dans ce contexte, les équipes partenaires OPALE-EPIDAURE-IMPC-INSERM, toutes localisées en région PACA, envisagent une collaboration à long terme, initialisée par cette propostion COLOR, dont la durée envisagée serait d'un an. Les sujets retenus sont l'angiogenèse tumorale et la cicatrisation, qui sont d'un intérêt majeur pour les applications médicales.
2 - Equipes concernées
Les équipes impliquées dans cette proposition COLOR 2005 sont :
EPIDAURE (INRIA Sophia Antipolis) ;
IPMC : Insititut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire, UMR du CNRS, Sophia Antipolis ;
3 - Descriptif scientifique
L'objectif visé est le couplage fort d'expériences biologiques, de traitement d'image et de modèles mathématiques.
Deux applications sont privilégiées : l'angiogenèse tumorale et la cicatrisation. La méthodologie peut se résumer comme suit.
Après une première phase de calage de paramètres rhéologiques, le modèle mathématique jouera son rôle prédictif : fournir la localisation optimale (à l'équilibre de Nash) des inhibiteurs d'angiogenèse, ou prédire des zones de non-cicatrisation, par exemple. Les données ayant servies à réaliser ces simulations sont celles utilisées dans l'expérience biologique. L'analyse d'images servira alos à comparer les deux résultats prédictif et expérimental. La boucle itérée bio-image-math-bio doit permettre l'enrichissement du modèle mathématique, le perfectionnement d'outils d'analyse d'image et une compréhension améliorée des phénomènes biologiques et de l'influence des paramètres exogènes sur ceux-ci.
3.1 - Angiogenèse
L'angiogenèse est le processus biologique par lequel se développent des réseaux de vaisseaux sanguins, à partir de vaisseaux pré-existants.
Ce processus est souhaitable, voire fondamental, lors du développement de l'embryon et de sa maturation, ou lors de la cicatrisation de blessures par exemple.
Par contre, c'est aussi un moyen utilisé par les tumeurs cancéreuses solides pour survivre et continuer à se développer. On sait aussi que l'angiogenèse tumorale est le mécanisme par lequel s'opère la métastase cancéreuse, étape ultime et létales du cancer. Depuis quelsques années, des chercheurs oncologues ont émis l'idée que l'empêchement de l'angiogenèse, ou anti-angiogenèse, pourrait apporter de nouveaux espoirs de traitement du cancer. Divers moyens peuvent être mis en oeuvre pour cela, et certains médicaments basés sur cette approche sont en cours de test, donnant des résultats spectaculaires dans des modèles animaux.
Pour envisager son application aux humains, cette approche - et les phénomènes inhérents - doit être bien comprise et bien maîtrisée par les chercheurs.
Notre étude se propose de contribuer à la compréhension de l'interaction entre facteurs d'angiogenèse et facteurs d'inhibition de celle-ci.
Pour cela, nous avons développé au sein d'OPALE un modèle simple issu de la physique des milieux poreux, couplé à un modèle d'élasticité linéaire, pour représenter la tumeur et le tissu biologique hôte. La tumeur cherche à se fabriquer un réseau de vaisseaux optimal pour son développement, tandis que le tissu hôte cherche à se protéger de la dégradation de matière opérée par des enzymes sécrétées par la tumeur. Les résultats numériques obtenus (pour une variante à somme nulle) montrent à l'équilibre une organisation non triviale des inhibiteurs, et l'apparition de canaux (pour la porosité) au lieu de structures artérielles bien organisées.
La validation du modèle proposé et des hypothèses sous-jacentes doit passer par une confrontation à la réalité. Ceci nécessite d'une part d'être capable d'observer l'angiogenèse, et d'autre part d'extraire de cette observation certaines informations quantitatives permettant de renseigner le modèle (données initiales, identification de paramètres, etc), et certaines autres pouvant être comparées aux valeurs calculées par le modèle -validation), voir par exemple (6).
Nos partenaires de l'IPMC proposent le montage d'une série d'expériences dans lesquelles des fragments d'aorte de souris ou de rat sont cultivés dans un gel de collagène tri-dimensionnel, qui permettrait l'étlude des interactions complexes entre cellules endothéliales et cellules perivasculaires (pericytes, cellules du muscle), le rôe des facteurs angiogéniques, ainsi que la contribution du recrutement incorporation à l'angiogenèse, des cellules . Ce modèle se situe ainsi entre les études in vitro et celles, difficiles, in vivo. La pertinence des résultats obtenus vis-à-vis de l'angiogenèse tumorale réelle in vivo est ainsi renforcée.
L'équipe EPIDAURE sera en charge du traitement des images obtenues précédemment. Le protocole d'acquisition sera discuté avec l'IPMC afin de s'assurer que les informations visées seront bien accessibles dans les acquisitions réalisées. Certains travaux récents de l'équipe ont montré comment des informations quantitatives, morphométriques (cf figure 3) ou vélocimétriques peuvent être extraites d'imageries microscopiques de la microcirculation. Ces outils seront adaptés aux données ici acquises.
3.2 - Cicatrisation
La biologie de la cicatrisation est un phénomène complexe mettant en jeu des processus de nature différente, chimique, mécanique et biologique, fortement couplés.
Il existe dans la littérature des modèles mathématiques, assez récents, décrivant les différents aspects de ce phénomène, parmi lesquels la cicatrisation épidermique, le remodelage de la matrice extra-cellulaire dermique et la contraction de la plaie.
A notre connaissance, les travaux et publications existants concernant ces modèles n'ont fait l'objet ni d'une validation biologique consistante (traitement d'images, problèmes inverses de rhéologie) ni de simulations avec des géométries réalistes en 2D par exemple.
L'équipe partenaire IPMC a mis en place un protocole expérimental ayant pour but la simulation de la recolonisation d'un "lit de blessure" par des fibroblastes dermiques humains blessés. Les fibroblasstes dermiques, isolés de prépuces humains, sont mis en culture sur boite de pétri et cultivés pendant environ 10 jours jusqu'à atteindre la confluence. Dans ces conditions, les cellules forment un tapis homogène au sein duquel la prolifération cellulaire est totalement inhibée (inhibition de contact). Pour déclencher le processus de "cicatrisation" les cellules sont blessées à l'aide d'un appareil qui crée au sein du tapis une blessure continue lésant les cellules depuis le bord de la boîte vers le centre. Après blessure la boîte de culture est installée sur la platine d'un vidéo microscope (Zeiss) dans une chambre thermostatée à 37° et saturée en 5% de CO2. Des images sont enregistrées toutes les 10 minutes pendant une durée de 48 heures.
Notre objectif est de permettre, dans un premier temps, la validation des modèles mathématiques proposés dans la littérature, voir par exemple l'alrticle-revue par Sherat et al. On implémentera un logiciel de simulation de ces équations en 2D (et en incluant la phase identification des paramètres) dont les résultats seront comparés à ceux récupérés par EPIDAURE après exploitation des images et vidéos issues du protocole expérimental mis en place par l'IPMC.
Nous espérons disposer ainsi d'un outil de bse bio-image-math en cicatrisation, validé expérimentalement et qui se prête à des améliorations au niveau de la modélisation : passage aux modèles mécanochimiques non -linéaires, mise ne place d'un modèle de type contrôle optimal des paramètres (cicatrisation optmale) et enfin, étude du lien entre angiogenèse et cicatrisation (lien connu des biologistes, mains non encore bien compris). Cette seconde et ambitieuse partie est envisagée comme suite naturelle de la collaboration IPME-INSERM-OPALE-EPIDAURE entamée sous les auspices de la proposition COLOR.
4 - Modalités de la collaboration
Les quatres partenaires, EPIDAURE, IPME, INSERM et OPALE ont une expertise reconnue dans chacun des domaines sollicités par cetet collaboration : traitement d'images, biologie et modélisation mathématique.
Les chercheurs directement impliqués sont les suivants :
- EPIDAURE : Analyse et simulation d'images biologiques et médicales.
- Nicholas Ayache : DR INRIA, responsable scientifique ;
- Grégoire Malandain : DR INRIA, responsable permanent du projet ;
- Tom Vercauteren : Doctorant CIFRE.
- Abderrahmane Habbal : MCF Mathématiques, Université de Nice, membre permanent du projet.
* A. Habbal/OPALE assurera la responsabilité de l'action COLOR.