La thèse est consacrée au développement de nouvelles méthodes de modélisations mathématiques en biologie et en médecine, du type “off-lattice" modèles hybrides discret-continus, et de leurs applications à l’hématopoïèse et aux maladies sanguines telles la leucémie et l’anémie. Dans cette approche, les cellules biologiques sont considérées comme des objets discrets alors que les réseaux intracellulaire et extracellulaire sont décrits avec des modèles continus régis par des équations aux dérivées partielles et des équations différentielles ordinaires. Les cellules interagissent mécaniquement et biochimiquement entre elles et avec le milieu environnant. Elles peuvent se diviser, mourir par apoptose ou se différencier. Le comportement des cellules est déterminé par le réseau de régulation intracellulaire et influencé par le contrôle local des cellules voisines ou par la régulation globale d’autres organes. Dans la première partie de la thèse, les modèles hybrides du type “off-lattice" dynamiques sont introduits. Des exemples de modèles, spécifiques aux processus biologiques, qui décrivent au sein de chaque cellule la concurrence entre la prolifération et l’apoptose, la prolifération et la différenciation et entre le cycle cellulaire et de l’état de repos sont étudiés. L’émergence des structures biologiques est étudiée avec les modèles hybrides. L’application à la modélisation des filamente de bactéries est illustrée. Dans le chapitre suivant, les modèle hybrides sont appliqués afin de modéliser l’érythropoïèse ou production de globules rouges dans la moelle osseuse. Le modèle inclut des cellules sanguines immatures appelées progéniteurs érythroïdes, qui peuvent s’auto-renouveler, se différencier ou mourir par apoptose, des cellules plus matures appelées les réticulocytes, qui influent les progéniteurs érythroïdes par le facteur de croissance Fas-ligand, et des macrophages, qui sont présents dans les îlots érythroblastiques in vivo. Les régulations intracellulaire et extracellulaire par les protéines et les facteurs de croissance sont précisées et les rétrocontrôles par les hormones érythropoïétine et glucocorticoïdes sont pris en compte. Le rôle des macrophages pour stabiliser les îlots érythroblastiques est montré. La comparaison des résultats de modélisation avec les expériences sur l’anémie chez les souris est effectuée. Le quatrième chapitre est consacré à la modélisation et au traitement de la leucémie. L’érythroleucémie, un sous-type de leucémie myéloblastique aigüe (LAM), se développe à cause de la différenciation insuffisante des progéniteurs érythroïdes et de leur auto-renouvellement excessif. Un modèle de type “Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamic” du traitement de la leucémie par AraC et un modèle de traitement chronothérapeutique de la leucémie sont examinés. La comparaison avec les données cliniques sur le nombre de blast dans le sang est effectuée. Le dernier chapitre traite du passage d’un modèle hybride à un modèle continu dans le cas 1D. Un théorème de convergence est prouvé. Les simulations numériques confirment un bon accord entre ces deux approches. / This dissertation is devoted to the development of new methods of mathematical modeling in biology and medicine, off-lattice discrete-continuous hybrid models, and their applications to modelling of hematopoiesis and blood disorders, such as leukemia and anemia. In this approach, biological cells are considered as discrete objects while intracellular and extracellular networks are described with continuous models, ordinary or partial differential equations. Cells interact mechanically and biochemically between each other and with the surrounding medium. They can divide, die by apoptosis or differentiate. Their fate is determined by intracellular regulation and influenced by local control from the surrounding cells or by global regulation from other organs. In the first part of the thesis, hybrid models with off-lattice cell dynamics are introduced. Model examples specific for biological processes and describing competition between cell proliferation and apoptosis, proliferation and differentiation and between cell cycling and quiescent state are investigated. Biological pattern formation with hybrid models is discussed. Application to bacteria filament is illustrated. In the next chapter, hybrid model are applied in order to model erythropoiesis, red blood cell production in the bone marrow. The model includes immature blood cells, erythroid progenitors, which can self-renew, differentiate or die by apoptosis, more mature cells, reticulocytes, which influence erythroid progenitors by means of growth factor Fas-ligand, and macrophages, which are present in erythroblastic islands in vivo. Intracellular and extracellular regulation by proteins and growth factors are specified and the feedback by the hormones erythropoietin and glucocorticoids is taken into account. The role of macrophages to stabilize erythroblastic islands is shown. Comparison of modelling with experiments on anemia in mice is carried out. The following chapter is devoted to leukemia modelling and treatment. Erythroleukemia, a subtype of Acute Myeloblastic Leukemia (AML), develops due to insufficient differentiation of erythroid progenitors and their excessive slef-renewal. A Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics (PBPKPD) model of leukemia treatment with AraC drug and chronotherapeutic treatments of leukemia are examined. Comparison with clinical data on blast count in blood is carried out. The last chapter deals with the passage from a hybrid model to a continuous model in the 1D case. A convergence theorem is proved. Numerical simulations confirm a good agreement between these approaches.

This doctoral thesis deals with biophysical interpretation of quantitative phase imaging (QPI) gained with coherence-controlled holographic microscope (CCHM). In the first part methods evaluating information from QPI such as analysis of shape and dynamical characteristics of segmented objects as well as evaluation of the phase information itself are described. In addition, a method of dynamic phase differences (DPD) is designed to allow more detailed monitoring of cell mass translocations. All of these methods are used in biological applications. In an extensive study of various types of cell death, QPI information is compared with flow cytometry data, and preferably a combination of QPI and fluorescence microscopy is used. The DPD method is used to study mass translocations inside the cell during osmotic events. The simplified DPD method is applied to investigate the mechanism of tumor cell movement in collagen gels.

Le carcinome séreux de haut grade (CSHG) est le sous-type de cancer de l'ovaire le plus agressif et mortel. Alors qu'une meilleure survie globale des patientes soit associée à une infiltration lymphocytaire, l'immunothérapie par blocage des points de contrôle immunitaires a obtenu des résultats limités, témoignant ainsi l'importance de comprendre le fonctionnement du système immunitaire au sein de ces tumeurs malignes. L’immunologie des tumeurs intègre des cellules immunitaires innées et adaptatives et utilise des médiateurs inflammatoires pour ajuster finement l'ampleur et la durée de la réponse immunitaire. Ainsi, cette thèse a pour objectif de définir l'hétérogénéité des cellules immunitaires intratumorales et périphériques chez les patientes atteintes d'un cancer de l'ovaire mais aussi à explorer les mécanismes de la réponse immunitaire. En combinant des techniques de biologie computationnelle et de séquençage de l'ARN à cellule unique nous avons pu identifier les différents composants du système immunitaire des patientes atteintes d'un cancer de l'ovaire mais aussi valider nos résultats dans une plus large cohorte associant d'autres types de cancer. Dans un premier temps, nous avons étudié l'un des médiateurs de l'inflammation, la voie de signalisation extracellulaire de l'adénosine. Nous avons évalué l'impact de cette voie de signalisation sur la survie des patientes atteintes de CSHG et identifié les cellules du microenvironnement tumoral participant au fonctionnement de cette voie. Ensuite, nous avons concentré notre étude sur la dynamique des lymphocytes T et identifié leurs états cellulaires associés, déduit leur relation développementale et étudié les changements transcriptionnels déclenchés par les interactions entre les cellules dans le microenvironnement immunitaire tumoral. Nous avons démontré que les cellules de type Tfh produisent le médiateur 7α,25 dihydroxycholestérol (7α,25-HC) décrit comme régulant le positionnement des cellules immunitaires dans les organes lymphoïdes secondaires. Ainsi, notre étude suggère que les cellules de type Tfh utilise ce mécanisme pour recruter des lymphocytes T CD8 pré-effecteurs/prédysfonctionnels et des cellules dendritiques plasmacytoïdes dans les tumeurs. Finalement, nos résultats indiquent que les cellules de type Tfh exprimant l'interleukine-21 aident à promouvoir l'immunité antitumorale contre les tumeurs ovariennes en coordonnant l'action des lymphocytes et des cellules dendritiques plasmacytoïdes sensibles au 7α,25-HC. En conclusion, nos travaux de recherche ont permis d’identifier des vulnérabilités dans le microenvironnement immunitaire tumoral pouvant être ciblées dans la thérapie contre le CSHG. / High-grade serous ovarian carcinoma (HGSOC) is the most aggressive and lethal subtype of ovarian cancer. Although better overall survival is associated with lymphocytic infiltration, immunotherapy by immune checkpoint blockades achieved modest results, reinforcing the importance of understanding immunity in this malignancy. Cancer immunity integrates innate and adaptive immune cells and makes use of inflammatory mediators to finely tune the magnitude and duration of the immune response. This thesis aims to reveal the heterogeneity of intratumoral and peripheral immune cells in ovarian cancer patients and explore the mechanisms of the immune response. For this purpose, we have used the high-resolution technology of single-cell RNAsequencing and computational biology to immune profile HGSOC patients. Firstly, we explored one of the mediators of inflammation, the immunosuppressive extracellular adenosine (eADO). The ectonucleotidases CD73 and CD39 regulate the eADO signaling pathway, and their expression is prognostic in several cancer types. Since their role in HGSOC was yet largely unexplored, we hypothesized that a transcriptomic meta-analysis of eADO signaling pathway would provide the clinical impact of the pathway in this malignancy. We analyzed the transcriptome of approximately 1200 HGSOC patients to evaluate the effect of CD39 and CD73 on clinical outcomes. While high expression of both ectonucleotidases was associated with worse overall survival in HGSOC, only CD39 was associated with chemoresistance, supporting the evaluation of eADO-targeting agents in HGSOC. Subsequently, we investigated T cell dynamics. Because T cell clones expanded in both tumor and peripheral tissue associated with response to ICB, we hypothesized that the tumor immune microenvironment (TIME) modulates their function and, therefore, analysis of cell-cell interaction would identify the cells participating in this process. Thus, we identified T cell states, inferred their developmental relationship, and studied transcriptional changes triggered by cellcell interactions in the TIME. We demonstrated that exhausted CD8 T cells highly expressed the chemokines CCL4 and XCL1, previously described in the priming of CD8 T cells in secondary lymphoid organs (SLOs). Finally, we proposed that the lipid mediator 7α,25 dihydroxycholesterol (7α,25-HC), only described in SLOs, may also modulate cell-cell interactions in the tumor immune microenvironment. Collectively, our studies propose strategies to modulate TIME in HGSOC targeting the adenosine pathway and oxysterols metabolites.