Chaque jour, nous inhalons des organismes pathogènes ou non tels que des bactéries ou des champignons. Chez l’individu sain, l’infection est évitée grâce à l’action conjuguée du mucus pulmonaire sécrété qui empêche la colonisation des pathogènes et par le battement des cils de l’épithélium pulmonaire permettant ainsi la clairance des poumons. Si cette barrière ne suffit pas, les cellules du système immunitaire entrent alors en jeu et vont reconnaître les pathogènes via une famille de récepteurs particuliers, les PRR. Chez les personnes immunodéprimées ou atteintes de mucoviscidose, ces mécanismes ne sont plus fonctionnels favorisant le développement de pathogènes tels que Pseudomonas aeruginosa ou Aspergillus fumigatus. Afin de mieux comprendre la pathogénèse des infections pulmonaires, mon travail de thèse a consisté d’une part à caractériser la paroi d’A. fumigatus au cours de la germination des conidies et d’autre part à identifier les motifs glycanniques portés par les mucines et reconnus par les pathogènes. Nous avons purifié les mucines pulmonaires de patients atteints de mucoviscidose et caractérisé leurs profils de glycosylation. Nous avons pu démontrer de très fortes variations inter-individuelles avec pour certains patients la présence de mucines essentiellement neutres alors que pour d’autres les mucines étaient presque exclusivement acides. nous avons pu démontré que P. aeruginosa adhère préférentiellement sur les structures sialylées et sulfatées. Nous avons également montré qu’A. fumigatus adhérait aux mucines pulmonaires humaines et de porc. Ce travail devrait permettre à terme d’identifier de nouvelles molécules permettant d’inhiber l’adhésion de pathogène. / Daily, we inhale pathogenic or not pathogenic bacteria and fungi organisms. In healthy individuals, infection is prevented by the combined action of secreted pulmonary mucus which avoids colonization of pathogens and the beating of cilia of pulmonary mucosal epithelium allowing clearance of the lungs. If the first barrier effect is not sufficient, immune cells will recognize pathogens by the pathogen recognition receptors (PRR) family. In immunocompromised people or cystic fibrosis patients, these mechanisms are no longer functional promoting the development of pathogens such as Pseudomonas aeruginosa or Aspergillus fumigatus. In order to better understand pathogenesis of pulmonary infection, my PhD work was focused on the characterization of A. fumigatus wall during conidial germination and on the identification of oligosaccharidic ligands carried by mucins and recognized by pathogens. We have purified respiratory mucins from patients with cystic fibrosis and analyzed their glycosylation profile. We have demonstrated profund inter-individual variation with for some patients mainly neutral mucins whereas for others, mucins were essentially acidic. We were able to demonstrate that P. aeruginosa preferentially adheres on sulfated and sialylated structures. We also showed that A. fumigatus is able to bind to human and pig lung mucins. This work paves the way for the development of alternative strategies against pathogens infection, using adherence inhibitors.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη βιολογία των σωματικών βλαστικών κυττάρων (adult stem cells) εξαιτίας της ικανότητας τους να αυτοανανεώνονται καθώς επίσης και της πλαστικότητας την οποία εμφανίζουν. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν τα σωματικά βλαστικά κύτταρα ικανά να παράγουν προγόνους διαφόρων τύπων ωρίμων κυττάρων, οι οποίοι συμμετέχουν ενεργά στη διατήρηση της ομοιόστασης ιστών και οργάνων τόσο κατά τη φυσιολογική πορεία της ζωής τους όσο και σε περίπτωση βλάβης. Εν γένει τα εμβρυικά και σωματικά βλαστικά κύτταρα φαίνεται να εμφανίζουν όμοιες λειτουργίες όσον αφορά στην ικανότητα αυτοανανέωσης και στην ιδιότητα τους να παράγουν διαφοροποιημένους κυτταρικούς προγόνους διαφόρων κυτταρικών σειρών τόσο σε απλοποιημένες συνθήκες καλλιέργειας in vitro όσο και μετά από μεταμόσχευσή τους σε ξενιστή in vivo. Πιο συγκεκριμένα η εδραίωση των ιδιοτήτων των βλαστικών και προγονικών κυττάρων in vitro και in vivo παρείχε τις ενδείξεις της συμμετοχής τους στην ανανέωση των ιστών μετά από βλάβη. Για το λόγο αυτό η χρήση τους αποτελεί πολλά υποσχόμενη στρατηγική στην κυτταρική και γενετική θεραπευτική πολλών εκφυλιστικών νοσημάτων καθώς επίσης και ως επικουρική ανοσοθεραπεία για διαφορους επιθετικούς τύπους καρκίνου. Η νόσος του Parkinson, η νόσος του Alzheimer, οι μυικές εκφυλιστικές διαταραχές, χρόνια ηπατικά νοσήματα, η καρδιακή ανεπάρκεια, ο σακχαρώδης διαβήτης τύπου I και τύπου II καθώς επίσης και διάφορες δερματικές, οφθαλικές, νεφρικές και αιμοποιητικές διαταραχές θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν με θεραπείες βασιζόμενες σε βλαστικά κύτταρα. Γενετικές μεταβολές ή/και επίμονη ενεργοποίηση διακριτών αναπτυξιακών μονοπατιών οι οποίες είναι δυνατόν να παρατηρούνται σε μειοψηφία σωματικών βλαστικών και προγονικών κυττάρων μπορούν, σε ορισμένες περιπτώσεις, να οδηγήσουν σε ογκογόνο μεταλλαγή. Το φαινόμενο αυτό εμπλέκει την ενεργοποίηση κυτταρικών μονοπατιών τα οποία σηματοδοτούνται από διάφορους αυξητικούς παράγοντες και ενέχουν σημαντική θέση στην αύξηση και επιβίωση καρκινικών κυττάρων. Πιο συγκεκριμένα η θετική ρύθμιση μονοπατιών που αφορούν στον EGF, hedgehog, Wnt/β-κατενίνη και του Νοtch αποτελούν κρίσιμης σημασίας γεγονότα για την έναρξη και προαγωγή επιθετικών τύπων κακοήθειας όπως η οξεία λευχαιμία και το λέμφωμα, ο καρκίνος του εγκεφάλου, του δέρματος, του πνεύμονα, του οισοφάγου, του στομάχου, του παγκρέατος, του ήπατος, του μαστού, των ωοθηκών, του προστάτη και των όρχεων. Για το λόγο αυτό η μοριακή στόχευση αυτών των ογκογόνων σηματοδοτικών στοιχείων αποτελεί πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών συνδιασμών εναντίων μεταστατικών μορφών καρκίνου. / Stem cell biology and their role in lung homeostasis, tissue repair and cancer.

La Thérapie par Substitution de Surfactant (TSS), qui opère par instillation d’une solution de surfactant directement dans l’arbre bronchique, est un traitement essentiel chez les nouveau-nés souffrant de syndrome de détresse respiratoire (SDRN). Cette procédure s’est révélée remarquablement efficace chez les grands prématurés, contribuant à la division par cinq de leur mortalité depuis les années 1980. À l’inverse, son utilisation s’est avérée décevante chez l’adulte dans le traitement du syndrome de détresse respiratoire aigu (SDRA), se soldant par un échec après des premiers essais pourtant prometteurs.Dans cette thèse, nous présentons un modèle mathématique et numérique de la propagation de bouchons liquides dans le système pulmonaire aérien de mammifères. Dans ce but, nous commençons par créer des modèles d’arbres trachéobronchiques chez le rat, le cochon ou l’homme. Ces modèles sont définis non seulement par leurs propriétés d’échelle mais également par leur structure tridimensionnelle indispensable à la simulation du transport liquidien. Les géométries ainsi créées sont comparées aux données morphométriques de la littérature.Nous présentons ensuite le modèle mathématique du transport liquidien. La principale propriété de ce modèle réside dans la décomposition de la propagation de bouchons liquides en deux étapes élémentaires fondamentales : (1) le dépôt de liquide sur les parois bronchiques lors de la propagation d’un bouchon, et (2) la division du bouchon liquide à chaque bifurcation de l’arbre. Les équations du processus de séparation sont déduites de la conservation de l’impulsion, pour tout type de bifurcation asymétrique. Cette décomposition en deux étapes élémentaires nous permet de calculer de manière efficace et rapide la propagation du surfactant dans l’intégralité de l’arbre aérien, fournissant ainsi un véritable outil de conception en génie biomédical.Ce modèle numérique est tout d’abord exploité pour calculer l’administration de surfactant chez le rat. Les rôles respectifs du volume initial, du débit et de l’injection multiple sont examinés. Nos résultats de simulations se révèlent être en bon accord avec les données de la littérature. En particulier, nous mettons en évidence le rôle joué par l’architecture monopodiale du rat qui contribue à la faible homogénéité de la distribution finale de surfactant. On observe également la forte non linéarité de la quantité de surfactant distribuée dans les acini en fonction du volume initial, en raison du dépôt d’une fraction de ce volume sur les parois bronchiques (le coût de dépôt). Des simulations de l’administration chez le cochon font apparaître les mêmes propriétés, avec cette fois une sensibilité accrue à la taille du poumon. Les effets respectifs de la gravité et de la tension de surface ne varient en effet pas suivant les mêmes lois d’échelle, ce qui se traduit par une distribution extrêmement inhomogène à bas débit ou à faible volume.Enfin, chez l’homme, notre modèle montre que l’origine de l’échec de la TSS chez l’adulte est possiblement à chercher dans la mécanique des fluides, l’accroissement du coût de dépôt aggravant la non-linéarité de l’administration. Cet effet peut être contré soit en instillant le surfactant à plus faible débit (mais au prix d’une distribution finale fortement inhomogène), soit en augmentant le volume initial. Nos résultats montrent en outre que, même pour des tailles comparables, les géométries très différentes de l’homme et du cochon ne permettent pas de traduire directement pour le premier les résultats obtenus chez le second. Un modèle fiable de l’administration est donc indispensable pour prédire l’efficacité de la TSS à partir de modèles animaux.En conclusion, cette thèse propose un nouvel outil permettant de prédire l’administration de surfactant chez l’animal et chez l’homme, de comprendre le rôle éventuel des modèles animaux, et en définitive de concevoir et d’optimiser de manière individualisée la TSS pour le patient. / Surfactant Replacement Therapy (SRT), which involves instillation of a liquid-surfactant mixture directly into the lung airway tree, is a major therapeutic treatment in neonatal patients with respiratory distress syndrome (NRDS). This procedure has proved to be remarkably effective in premature newborns, contributing to a five-fold decrease of mortality since the 1980s. Disappointingly, its use in adults for treating acute respiratory distress syndrome (ARDS) experienced initial success followed by failures.In this PhD thesis, we present a mathematical and numerical model for the propagation of a liquid plug into the pulmonary airway system of mammals. To that intent, we first create realistic geometrical models of the tracheobronchial trees of mammals, rat, pig, and human, defined not only by their scaling properties but also by their 3D spatial embedding (i.e., branching and rotation angles), a description necessary for simulating liquid transport. The resulting geometries are compared with the available quantitative morphometric measurements found in the literature.We then introduce the mathematical model describing liquid plug transport. The main feature of this model is to decompose the propagation of liquid plugs in two fundamental elementary steps: (1) liquid deposition onto the airway walls during the propagation of a plug into a single airway, and (2) plug splitting at each bifurcation between two consecutive generations. The equations for the splitting process are derived from momentum conservation considerations, for any type of asymmetric bifurcation and any orientation with respect to gravity. The decomposition of the transport of liquid plugs into these essential steps allows us to compute efficiently and rapidly the propagation of surfactant into the entire airway tree, thus creating a truly biomedical engineering design tool.This mathematical and numerical model is first used to compute surfactant delivery into realistic asymmetric conducting airway trees of rat lung. The roles of dose volume, flow rate, and multiple aliquot deliveries are investigated. We find that our simulations of surfactant delivery in rat lungs are in good agreement with experimental data. In particular, we show that the monopodial architecture of the rat airway trees plays a major role in surfactant delivery, contributing to the poor homogeneity of the end distribution of surfactant. We also observe that increasing the initial dose volume increases in a nonlinear way the amount of surfactant delivered to the acini after losing a portion to coating the involved airways, the coating cost volume. Simulations of delivery in pig lungs exhibit the same general features, but our model demonstrates that SRT is very sensitive to the lung size. Surface tension and gravity effects do not scale similarly, and the end distribution can become highly nonhomogeneous at smaller flow rates or small dose volumes.Finally, in the human lung, our model shows that the failure of SRT in adults could, in fact, have a fluid mechanical origin that is potentially reversible. The coating cost is predicted to increase in adult lungs, enhancing the nonlinearity of the delivery process. This effect can be countered either by instilling the surfactant mixture at a smaller flow rate (but then the distribution is highly nonhomogeneous) or by using a larger dose volume. In addition, our results show that, even if sizes are comparable, the very different geometrical structures of pig and human lungs do not permit a direction translation of experimental results in pigs to humans, and that a reliable mathematical model of the delivery is absolutely crucial if one wants to predict the efficacy of SRT from animal models.In conclusion, this thesis provides a tool for predicting surfactant delivery in animals and humans, for understanding how to build animals models of SRT, and finally for engineering and optimizing patient-specific surfactant delivery in complex situations.