Modéliser les cellules comme des objets déformables 3D couplant biomécanique et chimie

Abstract

Les cellules peuvent être vues comme des objets dynamiques déformables. Nous présenterons un ensemble de travaux de modélisation et de simulation constituant une première étape vers l’élaboration d’un simulateur de cellules pour les biologistes. Ce simulateur pour la modélisation de systèmes biologiques est basé sur des approches 3D issue de l’informatique graphique combinant des mécanismes d’origines divers (élasticité cellulaire, dynamique du cytosquelette, réactions chimiques) pour différentes échelles de temps (de la seconde à la minute) et de taille (du micromètre au dixième de millimètres). Dans ce simulateur, les cellules sont définies comme des entités déformables prenant en compte explicitement à la fois les réactions chimiques ayant lieu au sein de la cellule ou sur la matrice extra-cellulaire et la dynamique des mouvements cellulaires. Des lois d’interaction entre entités cellulaires sont aussi définies permettant d’intégrer différents types de contacts (cellule-cellule, cellule-substrat), leurs évolutions dynamiques (glissement, roulement) et leurs conséquences sur l’architecture cellulaire ou tissulaire. Cette approche sera exposée "from the bottom-up" en présentant par étape les principes mis en œuvre dans ce modèle biomécanique discret : la géométrie 3D, l’élasticité, la contractilité, l’adhésion et le couplage biomécanique-chimie. De nombreux exemples d’application seront montrés, incluant la simulation d’expériences de micro-manipulation, l’agrégation cellulaire, la motilité, la chimiotaxie, et l’haptotaxie. – (chapter in french) Cells can be seen as deformable dynamic objects. We present some modeling and simulation researches that are a first step towards the elaboration of a cell simulator for biologists. This cell simulator is based on dynamic computer-graphics 3D approaches, that combines mechanisms of diverse origins (cell elasticity, cytoskeleton dynamics, chemical reactions) at different time scales (from the second to the minute) and length scales (from micrometers to tens of millimeters). In this simulator, cells are defined as deformable objects that explicitly take into account chemical reactions (taking place inside the cell or on the extracellular matrix) as well as the dynamics of cell displacement. Behavior laws are defined between cells and types of cells in order to allow for different types of contact interactions (cell-cell, cell-substrate), their dynamic evolutions (sliding, rolling over) and their consequences on the cell or tissue architecture. This approach is presented “from the bottom-up” using a step-by-step process to build the simulator : 3D geometry, elasticity, contractility, adhesion, biomechanics-chemistry coupling. A variety of simulations are shown including the simulation of experimental techniques such as micromanipulation or behaviour such as cell aggregation, cell motility, chemiotaxis, and haptotaxis.

Publication
Le vivant discret et continu