Academic literature on the topic 'Sphéroïde'

Les vents zonaux sont une famille d’écoulement jouant un rôle majeur dans la transmission de la chaleur dans les systèmes géophysiques tels que le noyau de la Terre ou l’atmosphère de Jupiter. Cependant ces systèmes présentent des régimes turbulents dominés par la rotation, ce qui rend l’étude des vents zonaux diÿcile. De ce fait les méchanismes de leur formation et de leur dynamique sont encore mal compris. Les études expérimen-tales permettent une approche complémentaire où toutes les tailles de structures peuvent facilement coexister. Pour des raisons pratiques, la plupart des expériences existantes présentent des régimes di˙érents de ceux des systèmes planétaires.Nous présentons une nouvelle expérience de laboratoire appelée ZoRo pour étudier les vents zonaux. L’originalité de ce nouveau montage est qu’il se rapproche autant que possible des conditions présentes dans les systèmes planétaires. Pour ce faire, nous avons choisi de construire un sphéroïde (sphère aplatie) rempli d’air en rotation rapide.Pour mesurer la vitesse des éoulements nous avons développé une nouvelle technique de mesure qui s’appuie sur les modes acoustiques de la cavité fluide. Cette technique est non-intrusive et particulièrement adaptée à la mesure d’écoulement azimuthaux de grande échelle. Nous avons testé cette méthode sur des cas synthétiques puis des écoulements réels mesurés dans ZoRo. Grâce à la résolution d’un problème inverse, il est possible de remonter au champ de vitesse à partir des fréquences des modes acoustiques.Les vents zonaux sont une famille d’écoulement jouant un rôle majeur dans la transmission de la chaleur dans les systèmes géophysiques tels que le noyau de la Terre ou l’atmosphère de Jupiter. Cependant ces systèmes présentent des régimes turbulents dominés par la rotation, ce qui rend l’étude des vents zonaux diÿcile. De ce fait les méchanismes de leur formation et de leur dynamique sont encore mal compris. Les études expérimen-tales permettent une approche complémentaire où toutes les tailles de structures peuvent facilement coexister. Pour des raisons pratiques, la plupart des expériences existantes présentent des régimes di˙érents de ceux des systèmes planétaires.Nous présentons une nouvelle expérience de laboratoire appelée ZoRo pour étudier les vents zonaux. L’originalité de ce nouveau montage est qu’il se rapproche autant que possible des conditions présentes dans les systèmes planétaires. Pour ce faire, nous avons choisi de construire un sphéroïde (sphère aplatie) rempli d’air en rotation rapide.Pour mesurer la vitesse des éoulements nous avons développé une nouvelle technique de mesure qui s’appuie sur les modes acoustiques de la cavité fluide. Cette technique est non-intrusive et particulièrement adaptée à la mesure d’écoulement azimuthaux de grande échelle. Nous avons testé cette méthode sur des cas synthétiques puis des écoulements réels mesurés dans ZoRo. Grâce à la résolution d’un problème inverse, il est possible de remonter au champ de vitesse à partir des fréquences des modes acoustiques<br>Zonal flows are expected to play a major role in the heat transfer mechanism of geophysical bodies such as the Earth's core of Jupiter's atmosphere.However due to the turbulent regime the systems are in, and the specific force balance, dominated by rotation, it is very hard to accurately model zonal flows. This causes their formation and dynamics to still not be well understood.Experimental studies propose a complementary approach where all scales of structures coexist. However most of the experimental set-up remain far from the relevant regimes found in the natural systems.We present a new laboratory experiment to study zonal flows induced by thermal convection, called ZoRo. The originality of this new apparatus resides in the fast that all balances, forcings and geometry are closest to the geophysical bodies. In order to match those, ZoRo is a rapidly rotating spheroid (flattened sphere) filled with air.In order to experimentally study zonal flows, all physical ingredients are reunited in the apparatus, and we measure the flow field. Since the working fluid is air, so gaseous, it is very challenging to accurately measure its velocity.To tackle to this problem, we developed a new velocimetry technique based on the acoustic resonances of the fluid cavity, the modal acoustic velocimetry (MAV).As the quantity of interest is velocity, we develop theoretical predictions that take into account the other effects that influence the acoustic spectrum (cavity's geometry, fluid's diffusions, container elasticity etc).Once the velocity contribution is isolated, it is possible to retrieve the flow field using acoustic frequencies through an inverse problem. We test this method against both synthetic cases and real experimental flows measured in ZoRo.MAV is a well-technique for measuring global azimuthal flows such as zonal flows. It is very sensitive to variations in the flow structure, down to a few centimetres.We were able to image the internal flow velocity with non-intrusive sensors thanks to MAV.This thesis is a first landmark towards realistic zonal flows laboratory experiments. The velocimetry technique is fully developed, allowing accurate non-intrusive measurements of zonal flows

La nature de l’écoulement dans le noyau externe liquide de la Terre et d’autres planètes telluriques intéresse les géophysiciens depuis des siècles. Il joue un rôle important dans les échanges entre le noyau et le manteau et il est aussi à l’origine du champ magnétique. Le mouvement de précession de la Terre, documenté depuis Hipparque au II ème siècle avant J-C applique des forces susceptibles d’entraîner des écoulements de structures complexes dans le noyau externe. Des mesures expérimentales sont conduites dans le cas modèle d’un sphéroïde en précession. L’écoulement est visualisé à l’aide de particules plates réfléchissantes, permettant une étude pour une large gamme de paramètres. L’écoulement est ensuite déterminé précisément par des mesures PIV. Deux solutions de rotation solide très inclinées conformes à la théorie de Busse (1968) font apparaître deux transitions vers des écoulements turbulents lorsque le nombre d'Ekman diminue. Toutes deux laissent apparaître des instabilités où des modes inertiels sont couplés par résonance triadique. La première instabilité est similaire à celle décrite dans la sphère en précession et appelée Conical Shear Instability par Lin et al. (2015). La seconde instabilité présente les caractéristiques de la CSI avec des modes inertiels de faibles nombres d’ondes azimutaux, mais aussi les caractéristiques de l'instabilité elliptique (Lacaze 2004). Enfin, une troisième zone d’instabilité est observée et mesurée dans le cas d’une précession prograde autour d’une fréquence de précession caractéristique<br>The nature of the flow in the liquid core of the Earth and other telluric planets is a matter of interest for geophysicists since centuries. It plays an important role in the exchanges between the core and the mantle and is also the source of the magnetic field. The precession of the Earth, studied since Hipparque around the 2nd century B.C. is able to drive complex flows in the outer core. Experimental measurements are conducted in the model case of a precessing spheroid. The flow is visualised with flat reflective particles, which allow a study over a broad range of parameters. The flow is then accurately characterised with PIV measurement. Two solutions of solid body rotation well predicted by Busse theorie (1968) show two transitions to turbulence when the Ekman number decreases. Both transitions show instabilities where inertial modes are coupled by a triadic resonance. The first instability is similar to the one described in a precessing sphere and called Conical Shear Instability (CSI) by Lin et al. (2015). The second instability presents the characteristics of the CSI with inertial modes of low azimuthal wave number but also the characteristics of the elliptic instability (Lacaze 2004). Finally, a third region of instability is observed and measured in the case of prograde precession around a characteristic precession frequency

Deux pièces de travail sont inclus dans cette thèse. La première partie analyse l'interaction d'une sphère excentrique avec un faisceau incident quelconque formé dans le cadre de généralisé de la théorie de Lorenz-Mie (generalized Lorenz-Mie theory, GLMT). Distributions de contrôle interne, près de la surface, loin des champs dispersés zone ainsi que le comportement de la morphologie dépendant résonances (MDR) dans une sphère excentrique éclairée par un faisceau focalisé guassien sont analysés. Dans la seconde partie, en utilisant l'EBCM, les propriétés de diffusion de lumière autour de l'angle arc pour un ensemble de sphéroïdes dans des orientations aléatoires éclairé par une onde plane sont étudiés. En comparant les paramètres extraits de ces paramètres originaux utilisés dans les expériences de simulation, la sensibilité de la technique d'arc de la sphéricité des gouttelettes non est quantifié.

Une tumeur est une structure tridimensionnelle hautement organisée, constituée d’une population hétérogène de cellules en étroites interactions avec leur microenvironnement. Cette organisation et ces interactions sont déterminantes dans le processus de tumorigenèse. Des données récentes montrent que les modifications des propriétés mécaniques du microenvironnement sont des paramètres essentiels du développement tumoral qu’il est important de caractériser et de considérer dans une perspective d’innovations en thérapie anticancéreuse. Une tumeur est également caractérisée par des propriétés mécaniques intrinsèques qui pourraient résulter de son organisation, de sa croissance, des interactions cellule-cellule, cellule-matrice et de la prolifération cellulaire. Différentes études montrent que les propriétés mécaniques intrinsèques des tumeurs, et en particulier le stress accumulé au cours de la croissance, vont avoir un impact sur la réponse au traitement. Le sphéroïde, modèle in vitro 3D multicellulaire, mime l’architecture tridimensionnelle et l’hétérogénéité cellulaire existant dans un micro-domaine tumoral in vivo. Ses propriétés et son caractère prédictif de la réponse pharmacologique, en font un modèle de choix largement utilisé pour l’évaluation pré-clinique de médicaments. L’objectif de nos travaux a été de caractériser les propriétés mécaniques intrinsèques d’un modèle de sphéroïde et d’en étudier l’impact sur l’organisation cellulaire. La démarche pluridisciplinaire mise en œuvre a été élaborée et conduite en considérant le sphéroïde comme un matériau. Nous avons ainsi montré que, comme les tumeurs, les sphéroïdes accumulent un stress mécanique au cours de leur croissance que la modélisation nous a permis d’associer à une force tangentielle périphérique. Selon les conditions de production des sphéroïdes utilisées, le stress mécanique accumulé se traduit par des différences d’organisation cellulaire et de rigidité de surface mise en évidence en AFM. Nous avons également montré par microscopie 3D, que l’accumulation du stress mécanique est associée à un alignement des noyaux parallèlement à la surface des sphéroïdes qui dépend du cytosquelette d’actine et des interactions intercellulaires. Enfin, nous avons développé, par microfabrication, un dispositif, adapté à des échantillons submillimétriques comme les sphéroïdes, pour caractériser leur module élastique. L’ensemble de ces travaux apporte des éléments de compréhension des conséquences des contraintes mécaniques intrinsèques sur l’organisation d’une micro-tumeur. Ces paramètres pourraient avoir un impact sur la diffusion et l’efficacité d’agents thérapeutiques et nécessitent donc d’être explorées dans une perspective d’optimisation de l’évaluation pharmacologique<br>A tumor is a highly organized three-dimensional structure constituted by a heterogeneous population of cells in close interaction with their microenvironment. This organization and these interactions are central in the process of tumorigenesis. Recent evidence shows that changes in the mechanical properties of the microenvironment are essential parameters of tumor development that must be considered in a therapeutic innovation perspective. A tumor is also characterized by intrinsic mechanical properties that could result from its organization, growth, cell-cell, cell-matrix interactions and cell proliferation. Different studies show that the intrinsic mechanical properties of tumors, and specifically the growth-accumulated stress, might impair the therapeutic response. The spheroid, a multicellular 3D in vitro model, mimics the three-dimensional architecture and cell heterogeneity found in vivo in a tumor micro-domain. Its properties and the predictivity of its response to anti-tumor drugs, make it a validated and widely used model for pre-clinical evaluation.The objective of our work was to characterize the intrinsic mechanical properties of a spheroid model and to study their impact on the cellular organization. The multidisciplinary approach implemented considers the spheroid as a material. We have shown that, like tumors, spheroids accumulate mechanical stress during their growth. Mathematical modeling has allowed associating this stress with a peripheral tangential force. Depending on the production conditions the accumulated mechanical stress results in a difference in cell organization and surface stiffness, evidenced using AFM. We have also demonstrated, using 3D microscopy that the accumulation of mechanical stress is associated with nuclei alignment parallel to spheroid surface that depends on actin cytoskeleton and cell-cell interactions. Finally, we have developed, using microfabrication technologies, a device, adapted to submillimetric samples such as spheroids, to characterize their elastic modulus. This work contributes to our understanding of the consequences of intrinsic mechanical stresses on the organization of a micro-tumor. These parameters could have an impact on the diffusion and efficacy of therapeutic agents and therefore need to be further investigated in a pharmacological evaluation optimization perspective

Le décryptage des mécanismes de contrôle du cycle cellulaire est essentiel pour comprendre les mécanismes régulateurs de la prolifération ainsi que leurs dérégulations au cours du développement tumoral. Cependant, les données actuelles ont pour la plupart été acquises sur des modèles de culture cellulaire en monocouche ne permettant pas de prendre en compte les interactions cellulaires, l'hétérogénéité tumorale et le microenvironnement, paramètres déterminants pour la croissance tumorale et dans la sensibilité aux agents anti-cancéreux. Les sphéroïdes sont des modèles de culture 3D multicellulaires caractérisés par la mise en place au cours de leur croissance de gradients de nutriments, d'hypoxie et de prolifération mimant l'organisation cellulaire de micro-régions tumorales. Ainsi, le modèle sphéroïde permet de considérer les interactions et l'hétérogénéité cellulaire ainsi que le microenvironnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est d'étudier la dynamique spatiale et temporelle de régulation du cycle cellulaire et d'activation des points de contrôle en 3D dans des modèles de sphéroïdes. Cette étude a été réalisée sur des sphéroïdes de cellules d'adénocarcinome du pancréas de la lignée Capan-2. Nous avons tout d'abord caractérisé la mise en place du gradient de prolifération au cours de la croissance grâce à des incorporations d'EdU, ou des marquages dirigés contre l'antigène Ki-67. Grâce à des modèles originaux de sphéroïdes exprimant des marqueurs fluorescents indicatifs de la position dans le cycle cellulaire, les Fucci, nous avons caractérisé la distribution des cellules dans le cycle cellulaire ainsi que la régionalisation de cette distribution au cours de la croissance des sphéroïdes. La deuxième partie des travaux réalisés a été consacrée à l'évaluation de l'utilisation des modèles de sphéroïdes Capan-2/Fucci pour l'exploration de la dynamique spatiale et temporelle de l'activation des points de contrôle du cycle cellulaire en réponse à une exposition à divers types de stress comme une privation en facteur de croissance, des traitements pharmacologiques ou des dommages à l'ADN induits par des radiations ionisantes. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de l'utilisation de sphéroïdes génétiquement modifiés pour étudier l'activation des points de contrôle au sein d'une population cellulaire tumorale hétérogène et régionalisée, prenant en compte les interactions cellulaires et l'importance du microenvironnement. Cette étude ouvre la possibilité d'explorer les mécanismes moléculaires de l'activation des points de contrôle du cycle cellulaire en 3D, ainsi que l'étude dynamique de la réponse à de nouveaux agents anti-prolifératifs dans la perspective d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques<br>Deciphering cell cycle control mechanism is essential to understand the involvement of its deregulation in tumor development and to identify new therapeutic targets. However, many studies have been performed on monolayer-cell based models that do not allow considering cell interaction, heterogeneity and tumor microenvironment that are essential parameters of tumor growth and resistance to treatments. Multi Cellular Tumor Spheroid (MCTS) 3D model mimics the organization of a non-vascularized tumor micro-region and is considered as an invaluable model to study cancer cell biology and to evaluate new antiproliferative drugs. In that context, the objective of this project is to study the spatio-temporal dynamics of cell cycle regulation and checkpoints activation in 3D by using original spheroids models. We used a model of tumor pancreatic Capan-2 cells spheroid. In a first part, we characterized the proliferation gradient during the growth of spheroids by using EdU incorporation and KI-67. By using an original genetically modified spheroid model expressing the fluorescent Fucci cell cycle reporters, we quantitatively correlate the rate of proliferation and the distribution of cells in the cell cycle phases depending on their position inside spheroids. In a second part, we evaluated the use of these models to explore the response to the activation cell cycle checkpoints following exposure to various types of stress like growth factor deprivation, pharmacological treatments or exposition to DNA damage induced by ionizing radiation. Our data demonstrate the interest of using such genetically modified spheroids to study at the cellular level the response to checkpoint activation in a regionalized heterogeneous tumor cell population taking into account cell-microenvironment interactions. This study paves the way for the investigation of the molecular aspects of checkpoint response in 3D models and the dynamic studies of the 3D response to novel antiproliferative agents

Une tumeur est une structure hautement organisée en 3D, intégrant des relations entre les cellules et avec son environnement. Le remodelage de l'environnement par la tumeur et sa croissance dans un environnement restreint induisent un déséquilibre de l'homéostasie tissulaire et l'accumulation d'un stress mécanique au niveau de la tumeur. Il a été montré que ce stress mécanique est un paramètre important du développement tumoral qui influence, entre autre, la migration et la prolifération des cellules tumorales. Un des aspects majeurs du contrôle de la prolifération cellulaire est la régulation du cycle cellulaire. De nombreuses études montrent que le déroulement de la mitose, étape de division du cycle cellulaire, est régulée par les propriétés mécaniques de l'environnement cellulaire. Cependant, l'impact des contraintes mécaniques sur la progression en mitose a essentiellement été étudié sur des modèles de culture en monocouche et les conséquences induites sur le développement tumoral sont encore méconnues. Dans ce contexte, l'objectif de mes travaux est d'étudier l'impact des contraintes mécaniques sur la division cellulaire, dans un modèle tumoral multicellulaire 3D, le sphéroïde. Ce modèle mime l'organisation multicellulaire et l'hétérogénéité cellulaire telles qu'elles existent in vivo dans des microrégions tumorales. Afin de mimer un environnement confiné, des microsdispositifs ont été fabriqués pour restreindre la croissance et contraindre mécaniquement les sphéroïdes. Ces conditions expérimentales nous ont permis de démontrer que la contrainte mécanique altère la division des cellules au sein des sphéroïdes. L'étude de la dynamique de progression en mitose de sphéroïdes contraints dans un dispositif en agarose adapté à l'imagerie en temps réel, a révélé un délai en prométaphase induit par la contrainte mécanique, probablement du à un défaut transitoire de mise en place du fuseau bipolaire et impliquant le cytosquelette d'actomyosine. Ce défaut ne semble pas induire un défaut d'orientation préférentiel de l'axe de division observé dans les sphéroïdes. De plus, ces résultats montrent qu'en condition de croissance en présence d'un stress mécanique, des traitements déstabilisant le cytosquelette d'actomyosine n'induisent pas d'altération de la mitose, suggérant que des voies de signalisation permettant d'éviter les erreurs de progression en mitose soient activées. L'ensemble de ces résultats suggèrent que la contrainte mécanique induite par la croissance progressive des sphéroïdes dans un environnement confiné ralentit la progression en mitose. Ce ralentissement peut être responsable d'erreurs de ségrégations des chromosomes induisant une augmentation de l'instabilité génétique et une hétérogénéité cellulaire. Cette hétérogénéité est caractéristique des tumeurs et souvent responsable de l'efficacité limitée des stratégies thérapeutiques actuelles. Les travaux réalisés viennent enrichir les connaissances de la réponse des cellules tumorales à leur environnement mécanique tel qu'il existe in vivo et ses conséquences sur le développement tumoral. Il permet aussi d'identifier les caractéristiques importantes des paramètres mécaniques à prendre en compte pour définir l'efficacité des traitements, et ouvre de nouvelles perspectives de thérapies antitumorales<br>A tumor micro-region consists of a heterogeneous cancer cell population organized in a 3D structure in which cell growth is influenced by interaction with the microenvironment. Changes in mechanical homeostasis within tissues are observed during tumor growth, leading to high pressure and tension forces within the growing tumor. Those changes in mechanical properties of the microenvironment participate to tumor development by influencing, amongst others, proliferation and migration of tumor cells. One important aspect of the control of proliferation is the regulation of the cell cycle. Many studies have demonstrated that mitosis progression, the division process of cell cycle, is not only biochemically regulated, but also mechanically regulated. However, the impact of mechanical cues on mitotic progression has essentially been documented using 2D monolayer-based models and very little is known about the consequences of mechanical stress on cell division within tumors. In this context, my goal was to investigate the impact of mechanical stress on cell division in MultiCellular Tumor Spheroids (MCTS), an in vitro model that mimics 3D cell organization and heterogeneity found in tumor microregions in vivo. We first induced mechanical stress on MCTS by restricting their growth in a confined environment. We demonstrated that mechanical stress impairs cell division. The study of the dynamics of mitosis progression within MCTS mechanically constrained in agarose, showed that mechanical stress induces a delay in prometaphase. This delay may be due to a transient defect in spindle assembly, and possibly implies actin filament dynamics. This defect in spindle assembly does not seem to induce a preferential orientation deviation of the division axis of cells within spheroids. Futhermore, we showed that in this mechanical stressed condition, drugs destabilizing the actomyosin cytoskeleton do not alter mitosis anymore, suggesting that signaling pathways could be activated and avoid aberrant mitosis progression. Altogether these results suggest that mechanical stress induced by progressive confinement of growing spheroid could slow down mitotic progression. However, a defect in mitosis progression could lead to chromosomes missegregation, responsible for increased genomic instability and cellular heterogeneity. This genetic heterogeneity characteristic of tumors is one of the major reasons for the limited efficiency of current therapeutic strategies. Mechanical stress might also induce the activation of specific pathways able to bypass the effect of certain drugs. This study paves the way for future research to a better understanding of the tumor cell response to mechanical cues similar to those encountered during in vivo tumor development. It could contribute to defining important characteristics of mechanical parameters of tumor on drug efficiency and open new perspectives in anti-tumor therapy

Les modèles d'étude in vitro 3D permettent de prendre en compte le rôle du microenvironnement en mimant l'organisation et l'hétérogénéité d'une microtumeur avasculaire. Ils permettent ainsi d'explorer les réponses fonctionnelles et pharmacologiques du contrôle de la prolifération dans des conditions plus proches de la réalité physiopathologique. Mes travaux de thèse se sont intéressés à l'évaluation de la prolifération dans le modèle 3D de sphéroïdes tumoraux et à sa régulation, en particulier par l'oxygène. Ils ont reposé sur la mise en œuvre d'approches expérimentales d'ingénierie et de biologie cellulaire, de microscopie et de traitement et analyse d'image. Une première étude réalisée sur des coupes de sphéroïdes nous a permis de montrer que la pression partielle en oxygène est un paramètre clé qui influence la répartition de la prolifération dans le temps et dans l'espace. Nous avons poursuivi cette étude dans les sphéroïdes in toto, en mettant en place une méthodologie de marquage par immunofluorescence en 3D, associée à l'imagerie par feuille de lumière et à la quantification par traitement d'image. L'application de cette procédure nous a permis d'explorer la prolifération au cours de la croissance de sphéroïdes MCF-7 cultivés en physioxie vs normoxie et de confirmer le rôle limitant de l'oxygène pour la prolifération en 3D. Nous avons également montré la réversibilité de l'arrêt de prolifération induit par l'anoxie et la possibilité de l'utiliser pour conditionner et conserver les sphéroïdes. Enfin, le développement d'une stratégie d'imagerie en 3D par illumination structurée nous a permis d'évaluer l'efficacité de composés par analyse d'image automatisé sur des sphéroïdes cultivés en matrice. L'ensemble de nos travaux ont permis de développer des méthodes et des outils d'intérêt dans l'étude de la biologie du cancer et de la réponse en pharmacologie anti-tumorale. Leur application a notamment permis de souligner l'importance de la physioxie pour l'étude de la prolifération et l'évaluation la réponse aux drogues. Ces travaux ouvrent également des perspectives applicatives pour la société IMACTIV-3D<br>In vitro 3D models allow the role of the microenvironment to be taken into account by mimicking the organization and heterogeneity of an avascular microtumor. They thus make it possible to explore proliferation and pharmacological responses under conditions closer to the pathophysiological reality. My thesis work focused on the evaluation of proliferation in the 3D model of tumor spheroids and its regulation, particularly by oxygen. They were based on the implementation of experimental approaches in engineering and cell biology, microscopy and image processing and analysis. A first study carried out on spheroid sections has allowed us to show that partial oxygen pressure is a key parameter that influences the distribution of proliferation in time and space. We continued this study in whole spheroids in toto, by implementing a 3D immunofluorescence labelling methodology, combined with light sheet imaging and image processing quantification. The application of this procedure allowed us to explore the proliferation during the growth of MCF-7 spheroids grown in physioxia vs normoxia and to confirm the limiting role of oxygen for 3D proliferation. We have also shown the reversibility of anoxia-induced proliferation arrest and the possibility of using it to condition and preserve spheroids. Finally, the development of a 3D imaging strategy using structured illumination allowed us to evaluate the effectiveness of compounds by automated image analysis on spheroids grown in a matrix. All of our work has made it possible to develop methods and tools of interest in the study of cancer biology and response in anti-tumor pharmacology. Their application has made it possible to highlight the importance of physioxia for the study of proliferation and the evaluation of drug response. This work also opens up application perspectives for the IMACTIV-3D company

La théorie de Lorenz-Mie généralisée (TLMG) est développée pour la description de la diffusion d’un faisceau incident quelconque par un sphéroïde homogène. Les expressions analytiques d’amplitude des champs diffusés, des sections efficaces de diffusion, d’absorption, et d’extinction, de pression, de radiation sont obtenues et des calculs numériques sont présentés. Pour enlever la contrainte de la TLMG dans les calculs numériques pour un sphéroïde de grande taille, l’optique géométrique classique est étendue au cas d’un faisceau gaussien diffusé par un sphéroïde. En ce qui concerne l’expérience, un système optique sur la base de l’extinction spectrale de la lumière est développé et appliqué à la mesure de vapeur humide dans une turbine à EDF. L’influence de la diffusion multiple sur le spectre d’extinction et celle de la diffusion des particules situées dans le bord de zone de la mesure sont analysées en utilisant le modèle de Monte Carlo<br>The generalized Lorenz-Mie (GLMT) is developed to describe the interaction between an arbitrary shaped beam and a homogeneous spheroid. Analytical expressions of the amplitudes of the scattering fields, absorption and extinction crosssections, and the radiation pressure are obtained. The numerical results are also presented. To overcome the drawback of the GLMT in numerical calculation for a large spheroid, the classical geometrical optics is extended to the case of Gaussian beam scattering by a spheroid. In experimental aspect, an optical system on the basis of the spectral light extinction method is developed and used for wet steam measurement in EDF. The influences of the scattering by the particles in the edge measurement zone and of the multiple scattering on the extinction spectrum are analyzed by using the Monte Carlo method

Ce travail de recherche s'inscrit dans un axe de diagnostic du cancer via le développement d'une méthode optique pour la caractérisation fonctionnelle de tissus. La technique de gap- FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) permet l'étude quantitative de la fonctionnalité des jonctions gap. La majorité des cellules néoplasiques se caractérisent par une modification du niveau d'expression et/ou de la fonctionnalité des jonctions gap par comparaison à leurs homologues saines. La technique de gap-FRAP permet en conséquence de discriminer les cellules cancéreuses en fonction de la communication intercellulaire gap jonctionnelle (CIGJ). Particulièrement utilisée in vitro, cette technique restait cependant anecdotique ex vivo. Nous avons validé la faisabilité du transfert de cette méthode sur tissus et organes ex vivo. A partir de cellules de statuts différents en expression et en distribution des connexines, nous avons caractérisé la calcéine-AM comme étant une sonde fluorescente adaptée pour des mesures sur tissus. Puis nous avons développé un modèle d'ingénierie systéme pour l'analyse comparative des données de recouvrement de fluorescence sur des modèles bi et tridimensionnels. Nous avons transposé ces conditions préalablement définies sur organe entier ex vivo : la vessie de rat. Un marquage multiple a été optimisé avec une sonde fluorescente pour le tracking des cellules cancéreuses dans la vessie ex vivo, un marqueur pour l'identification histologique de l'urothélium et la calcéine-AM pour mesurer la CIGJ. Le gap-FRAP a été utilisé pour la première fois pour différencier le degré de communication intercellulaire gap jonctionnelle entre le tissu sain et néoplasique sur un organe entier ex vivo, ouvrant des perspectives pour le diagnostic du cancer de la vessie corrélé à la modification de la CIGJ.

Le mélanome métastatique est le cancer de la peau le plus agressif. Bien que son taux d’incidence soit inférieur à 1%, plus de 75% des décès associés à un cancer de la peau lui sont attribués. Au cours des dernières années, de nouvelles stratégies thérapeutiques ont permis d’améliorer la survie des patients. Cependant, des mécanismes de résistance à ces traitements se développent dans la majorité des cas, conduisant à une phase de rechute, et une survie à 5 ans inférieure à 20%. Des modèles d’étude expérimentaux sont nécessaires afin de comprendre les mécanismes impliqués dans l’apparition de ces résistances et développer de nouvelles stratégies thérapeutiques. Différents modèles in vitro sont actuellement utilisés pour le développement de drogues anti-tumorales, tels que celui du sphéroïde. Bien qu’il permette de reproduire l’organisation tridimensionnelle d’une tumeur, l’absence de microenvironnement tumoral empêche l’étude des interactions entre les cellules tumorales et celui-ci alors que ces facteurs jouent un rôle primordial dans la croissance tumorale et le développement de métastases. Dans ce contexte, mes travaux ont porté sur le développement et la caractérisation d’un modèle ex vivo de mélanome humain complet permettant l’étude de l’évolution d’une tumeur dans le tissu sain et l’évaluation de composés pharmacologiques. Les travaux réalisés ont tout d’abord conduit au développement d’un modèle de cancer cutané basé sur la combinaison d’un modèle de sphéroïde de lignée cellulaire de mélanome humain et du modèle de peau humaine ex vivo NativeSkin®, développé par la société Genoskin. Une procédure a été développée et validée pour permettre l’implantation reproductible d’un sphéroïde dans le derme des explants de peau. Parallèlement, j’ai développé une approche d’imagerie in situ par microscopie à feuille de lumière après transparisation des modèles. J’ai également développé une stratégie d’analyse d’images permettant la caractérisation quantitative de l'évolution du sphéroïde implanté en 3 dimensions et de suivre la dispersion des cellules du tumorales au sein de l’explant de peau. La caractérisation histologique du modèle implanté a révélé de façon très inattendue une perte progressive de l’intégrité du sphéroïde après implantation, associée à une diminution rapide de la prolifération des cellules le constituant et l’apoptose massive des cellules situées à sa périphérie. Ce phénomène a été observé de façon similaire lors de l’implantation de sphéroïdes produits à partir de différents types cellulaires. Afin de comprendre ces résultats, j’ai étudié l’implication potentielle de différents paramètres dans l’induction de la mortalité cellulaire observée tels que les conditions d’implantation, les facteurs synthétisés par le modèle et la contrainte mécanique exercée par le derme. Les résultats obtenus suggèrent que les facteurs sécrétés par les modèles après implantation du sphéroïde ont un effet antiprolifératif sur les sphéroïdes de mélanome et qu’ils induisent la mortalité des cellules situées à sa périphérie. Par ailleurs, l’application d’une contrainte mécanique extérieure sur les sphéroïdes de mélanome entraîne la perte de la cohésion de leur structure. Enfin, l’implantation de sphéroïdes dans le derme de biopsies de peau préalablement desséchées, induisant une perte de la viabilité cellulaire, a conduit à des résultats opposés à ceux observés avec de la peau normale : la structure des sphéroïdes reste cohésive et la prolifération des cellules est maintenue en périphérie du sphéroïde sans qu’aucune apoptose massive ne soit observée. L'ensemble de ces travaux semble suggérer que la mortalité du sphéroïde pourrait être, en partie, la conséquence d’une contrainte mécanique exercée par la peau sur le sphéroïde et/ou de facteurs produits par la peau durant sa culture. Ces données ouvrent des perspectives intéressantes dans le domaine de l’ingénierie tissulaire pour l’évaluation pharmacologique de composés thérapeutiques<br>Malignant melanoma is the most aggressive form of skin cancer. Although it only occurs in less than 1%, it is responsible for more than 75% of skin cancer-related deaths. Furthermore, melanoma incidence has constantly increased during the last decades. New therapies such as targeted therapy and immunotherapy have emerged over the past years, significantly improving the overall survival rates of patients with advanced melanoma stages. However, resistance to those treatments develops in most cases, leading to relapse with a 5-years survival of those patients under 20%. Experimental models are needed in order to better understand the molecular events underlying these resistance mechanisms, and to develop new therapeutic strategies. MultiCellular Tumor spheroid is an increasingly recognized 3D in vitro model for pharmacological evaluation. Although this model accurately reproduces the 3D architecture, cell-cell interaction and cell heterogeneity found in microtumor in vivo, spheroids lack tumor-microenvironment interactions, which play a key role in tumor growth and metastasis development. In this context, the aim of my project was to develop and characterize a fully ex vivo human melanoma model for the study of tumor growth within the skin and the evaluation of antitumor drugs. Our approach relies on the combination of human melanoma cell lines grown in Multicellular Tumor Spheroids and the NativeSkin® model, an ex vivo human skin model produced by the biotechnology company Genoskin. Hence, I developed and validated a method to reproducibly implant one spheroid into the dermal compartment of skin explants cultured ex vivo. In parallel I have developed in situ imaging strategies based on light-sheet microscopy (SPIM, “Selective Plane Illumination Microscopy”) after optical clearing of the implanted skin biopsies. I also developed analytic methods to allow for the quantitative characterization of the spheroids evolution in 3 dimensions as well as tumor cells dispersal within the dermis of skin explants. Histological characterization of the implanted models over time revealed a progressive loss of the spheroids integrity after implantation associated with a rapid decrease in cell proliferation and massive apoptosis of the cells located in the peripheral layers. These results were shared by implanted spheroids made from different cell types. Further experiments were conducted in order to better understand these results and evaluate the impact of different parameters on the implanted microtumors viability such as the implantation procedure conditions, factors synthesized by the model after spheroid implantation and external mechanical stress. Results suggest that factors produced by the implanted models have an antiproliferative effect on melanoma spheroids and induce mortality in the peripheral layers of the spheroids. Moreover, results show that mechanical stress applied on melanoma spheroids induces loss of their cohesion. Finally, implantation of spheroids within the dermis of previously dessicated biopsies for 7 days, causing loss of skin cells viability, led to opposite results than in normal skin: spheroids maintain both a cohesive structure and proliferation in the peripheral cells without any massive apoptosis. Overall, this work led to the validation of a methodology to reproducibly implant spheroids into an ex vivo skin explant and the setup of an optical clearing technique necessary for in situ imaging of the implanted spheroid. Histological characterization unexpectedly revealed spheroids cells death following their implantation. Results suggest that this mortality could be partly related to mechanical stress exerted on the spheroids by the skin and/or by factors produced by the skin during culture. These data open new perspectives in the research field of tissue engineering for antitumoral pharmacology

Les galaxies de type précoce ou ETG pour Early-Type Galaxies regroupent les galaxies elliptiques (E) et lenticulaires (S0). Elles représentent 33 % de la lumière émise par les différentes galaxies mais environ 50 % de la masse d’étoiles. Elles sont composées en général de vieilles étoiles, d’âge 8 milliards d’années ou plus, qui possèdent très peu de rotation. Leur équilibre gravitationnel est dû en grande partie à une dispersion anisotrope de vitesses. Elles ne contiennent que très peu de gaz, et les plus massives se sont formées par la fusion de plusieurs galaxies spirales. Cette étude montre comment la proportion entre disque et sphéroïde varie le long d’une séquence, en fonction du degré de rotation, de l’âge, de la métallicité, de la masse et de la concentration.

Les imprimantes 3D existent depuis plusieurs décennies et le principe général de la fabrication additive est de déposer des couches successives de matériau afin dobtenir un volume, à partir d’un modèle défini à l’avance grâce à une interface informatique. Depuis quelques années, ces imprimantes sont utilisées dans le domaine médical : ainsi, les chirurgiens peuvent obtenir une réplique en résine d’une situation clinique afin de planifier leur geste chirurgical pour réaliser des interventions moins invasives. Par ailleurs, on peut aujourdhui imprimer certains biomatériaux synthétiques sur mesure afin dobtenir des greffons personnalisés basés sur limagerie tridimensionnelle d’un patient. Ces applications utilisent sur des imprimantes fonctionnant principalement sur le principe de la stéréolithographie (photopolymérisation sélective de résines photosensibles) ou bien du dépôt à chaud de fil fondu : ces technologies ne permettent pas dutiliser des composés biologiques tels que des cellules ou des biomolécules. Plus récemment, des imprimantes 3D dédiées à l’impression déléments biologiques (Bio-Impression) ont été développées. On distingue la Bioimpression assistée par laser, la bioimpression par jet dencre et lextrusion dhydrogels. Ces trois méthodes présentent des points communs (utilisation d’une encre biologique, modélisation du motif à imprimer et pilotage de limprimante par une interface informatique, impression couche par couche). Cependant, en fonction de la technologie utilisée, la résolution et le volume des motifs imprimés peuvent varier de façon importante. Les machines permettant d’imprimer à haute résolution ne sont habituellement pas adaptées lorsquon cherche à obtenir des volumes importants ; de la même façon, lorsqu’une technologie permet d’imprimer des volumes importants, il est souvent difficile dobtenir de hautes résolutions dimpressions. De ce fait, on doit parfois combiner plusieurs technologies pour produire certains assemblages complexes. Ainsi, il est primordial de définir finement ses objectifs avant de choisir une technologie de bioimpression. Les applications des imprimantes 3D de tissus biologiques (Bio-imprimantes) sont toutes dans le champ de lingénierie tissulaire et aujourdhui presque exclusivement dans le domaine de la recherche. Les méthodes permettant d’imprimer à haute résolution trouvent des applications principalement en biologie cellulaire lorsquon cherche par exemple àé valuer les capacités de communication de plusieurs types cellulaires : en effet, il est possible de créer des motifs réguliers en imprimant des gouttes de bioencre contenant chacune quelques cellules avec la technologie laser. Par ailleurs, d’autres technologies basées sur lextrusion permettent de manipuler des amas cellulaires (sphéroïdes) et de les organiser entre eux, ce qui peut trouver des applications dans le domaine de la cancérologie. En combinant les technologies, on peut aujourdhui mettre en place des modèles d’étude pharmacologiques qui pourraient à terme se substituer à certaines expérimentations animales et ouvrir la voie à certaines thérapies ciblées. Enfin, la fabrication dorganes par bioimpression (« Organ Printing ») reste aujourdhui du domaine de la science fiction, même si quelques équipes travaillent sur cet aspect. Les imprimantes 3D biologiques apportent donc de nouveaux outils pour le chercheur dans de nombreuses applications en biologie et en médecine régénératrice. Le choix de la méthode la plus adaptée à L’objectif de L’étude est primordial afin dutiliser au mieux ces technologies.