Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique de l'hématopoïèse et des maladies sanguines. Plusieurs modèles traitant d'aspects différents et complémentaires de l'hématopoïèse y sont étudiés.Tout d'abord, un modèle multi-échelle de l'érythropoïèse est analysé, dans lequel sont décrits à la fois le réseau intracellulaire, qui détermine le comportement individuel des cellules, et la dynamique des populations de cellules. En utilisant des données expérimentales sur les souris, nous évaluons les rôles des divers mécanismes de retro-contrôle en réponse aux situations de stress.Ensuite, nous tenons compte de la distribution spatiale des cellules dans la moelle osseuse, question qui n'avait pas été étudiée auparavant. Nous décrivons l'hématopoïèse normale à l'aide d'un système d'équations de réaction-diffusion-convection et nous démontrons l'existence d'une distribution stationnaire des cellules. Puis, nous introduisons dans le modèle les cellules malignes. Pour certaines valeurs des paramètres, la solution "disease-free" devient instable et une autre solution, qui correspond à la leucémie, apparaît. Cela mène à la formation d'une tumeur qui se propage dans la moelle osseuse comme une onde progressive. La vitesse de cette propagation est étudiée analytiquement et numériquement. Les cellules de la moelle osseuse échangent des signaux qui régulent le comportement cellulaire. Nous étudions ensuite une équation integro-différentielle qui décrit la communication cellulaire et nous prouvons l'existence d'une solution du type onde progressive en utilisant la théorie du degré topologique et la méthode de Leray et Schauder. L'approche multi-agent est utilisée afin d'étudier la distribution des différents types de cellules dans la moelle osseuse.Finalement, nous étudions un modèle de type "Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics" du traitement de la leucémie par l'AraC. L'AraC agit comme chimiothérapie et induit l'apoptose de toutes les cellules proliférantes, saines et malignes. La pharmacocinétique donne accès à la concentration intracellulaire d'AraC. Cette dernière, à son tour, détermine la dynamique des populations cellulaires et, par conséquent, l'efficacité de différents protocoles de traitement.

Les cellules béta pancréatiques synthétisent et sécrètent l’insuline, unique hormone hypoglycémiante de l’organisme. Ces cellules jouent un rôle central dans l’apparition du diabète, préserver leurs masses fonctionnelles est donc essentiel. Le récepteur GLP-1, appartenant à la classe B de la super famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs), est considéré comme une cible thérapeutique majeure dans le traitement du diabète de type 2. Via son récepteur, le GLP-1 potentialise la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et favorise la survie des cellules beta. Les glucocorticoïdes sont des hormones du stress impliquées dans la régulation énergétique, largement utilisés en thérapeutique pour leur propriétés anti-inflammatoire, immunosuppresseur et antiallergique. Néanmoins, les glucocorticoïdes administrés en chronique sont diabétogènes en exerçant notamment des effets délétères sur les cellules beta. Nous avons caractérisé l’impact d’une exposition prolongée des cellules beta à un glucocorticoïde de synthèse (la dexaméthasone) sur les actions biologiques du glucose et du GLP-1.Nous montrons qu’une exposition prolongée des cellules beta à la dexaméthasone exerce des effets délétères en inhibant la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et l’activation des kinases de survie ERK1/2 (Extracellular Regulated Kinases 1/2). A l’inverse, nous démontrons que l’exposition prolongée des cellules bêta à la dexaméthasone favorise le maintien du récepteur GLP-1 à la membrane plasmique, augmente le couplage du récepteur à la protéine Galpha s, ce qui se traduit par une production de second messager (AMPc) intracellulaire doublée. Malgré une diminution des effets du glucose, la sécrétion d’insuline et l’activation des kinases ERK1/2 en réponse au GLP-1 ne sont pas affectées. Cette étude révèle qu’une exposition chronique des cellules beta aux glucocorticoïdes 1) régule le trafficking du récepteur GLP-1 et favorise son maintien à la surface cellulaire, 2) hypersensibilise la signalisation du récepteur GLP-1 dépendante de la protéine Gαs , et 3) pourrait impacter les effets thérapeutiques des molécules ciblant l’activation du récepteur GLP-1. / Pancreatic beta cells synthesize and secrete insulin, the only hypoglycemic hormone in the body. These cells play a central role in the onset of diabetes. To protect the functional beta-cell mass is essential. The GLP-1 receptor, which belongs to the class B of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, is a major therapeutic target in type 2 diabetes. Through its receptor, GLP-1 potentiates glucose-induced insulin secretion and improves the survival of pancreatic beta cells. Glucocorticoids are stress hormones implied in energetic metabolism and are widely used in therapeutics for their anti-inflammatory, immunosupressive and anti-allergic properties. Neverless, on chronic administration, glucocorticoids can induce metabolic syndrome especially due beta cell functional mass impairement. Here, we characterized the impact of a prolonged exposure of pancreatic beta cells to a synthetic glucocorticoid (dexamethasone) on biological actions of glucose and GLP-1.We show that a chronic exposure of beta cells to dexamethasone exerted deleterious effects on glucose-induced insulin secretion and ERK1/2 (Extracelllular Regulated Kinases 1/2) activation. In contrast, we observed that the glucocorticoid treatment increased GLP-1 receptor expression at the plasma membrane and improved the Galpha s protein coupling leading to an enhancement of cAMP production (2 fold increase). Despite the negative impact on glucose effects, glucocorticoids did not impair neither GLP-1-induced insulin secretion nor ERK1/2 activation. This study reveals that a glucocorticoid chronic exposure 1) regulates GLP-1 receptor trafficking and increases its expression to the plasma membrane, 2) causes supersensitization of Gαs-associated signaling, and 3) could impact on therapeutic effects of GLP-1 receptor-based drugs.

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Le genre bactérien Salmonella regroupe plus de 2500 sérovars, mais peu sont responsables de pathologies humaines. Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi) est reconnu pour son importance médicale à travers le globe. S. Typhi cause la fièvre typhoïde chez l’Homme, une maladie infectieuse létale caractérisée par la dissémination systémique de la bactérie vers des organes du système réticulo-endothélial. La fièvre typhoïde représente un fardeau pour la santé mondiale, notamment auprès des pays en développement où les conditions sanitaires sont désuètes. La situation se complique davantage par l’apparition de souches résistantes aux antibiotiques. De plus, les deux vaccins licenciés sont d’efficacité modérée, présentent certaines contraintes techniques et ne sont pas appropriés pour les jeunes enfants et nourrissons. La phase systémique de l’infection par Salmonella repose sur sa survie dans les macrophages du système immunitaire. Dans ce compartiment intracellulaire, la bactérie module les défenses antimicrobiennes grâce à de multiples facteurs de virulence encodés dans son génome. Les mécanismes moléculaires sollicités sont complexes et finement régulés. Malgré les progrès scientifiques réalisés précédemment, plusieurs incompréhensions persistent au sujet de l’adaptation de ce pathogène dans les macrophages de l’hôte. Pour mieux concevoir les déterminants génétiques de S. Typhi impliqués dans l’interaction avec ces cellules, une stratégie de sélection négative a été appliquée afin de vérifier systématiquement l’effet direct des gènes pendant l’infection. En premier temps, une librairie de mutants par transposon chez S. Typhi a été créée pour l’infection de macrophages humains en culture. Après 24 heures d’infection, la présence des mutants fut évaluée simultanément par analyse sur des biopuces de Salmonella. Au total, 130 gènes ont été sélectionnés pour leur contribution potentielle auprès des macrophages infectés. Ces gènes comptaient des composantes d’enveloppe bactérienne, des éléments fimbriaires, des portions du flagelle, des régulateurs, des facteurs de pathogenèse et plusieurs protéines sans fonction connue. En deuxième temps, cette collection de gènes a dirigé la création de 28 mutants de délétion définie chez S. Typhi. Les capacités d’entrée et de réplication intracellulaire de ces mutants au sein des macrophages humains ont été caractérisées. D’abord, les macrophages ont été co-infectés avec les mutants en présence de la souche sauvage, pour vérifier la compétitivité de chacun d’eux envers cette dernière. Ensuite, les mutants ont été inoculés individuellement chez les macrophages et leur infectivité fut mesurée comparativement à celle de la souche sauvage. Sommairement, 26 mutants ont présenté des défauts lorsqu’en compétition, tandis que 14 mutants se sont montrés défectueux lorsque testés seuls. Par ailleurs, 12 mutants ont exposé une déficience lors de l’infection mixte et individuelle, incluant les mutants acrA, exbDB, flhCD, fliC, gppA, mlc, pgtE, typA, waaQGP, STY1867-68, STY2346 et SPI-4. Notamment, 35 nouveaux phénotypes défectueux d’entrée ou de survie intracellulaire chez Salmonella ont été révélés par cette étude. Les données générées ici offrent plusieurs nouvelles pistes pour élucider comment S. Typhi manipule sa niche intracellulaire, menant à l’infection systémique. Les gènes décrits représentent des cibles potentielles pour atténuer la bactérie chez l’humain et pourraient contribuer au développement de meilleures souches vaccinales pour immuniser contre la fièvre typhoïde. / The bacterial genus Salmonella holds over 2500 serovars, but few are responsible for human pathologies. Salmonella enterica serovar Typhi (S. Typhi) is recognized across the globe for its medical importance. S. Typhi causes typhoid fever in humans, a lethal infectious disease characterized by systemic dissemination of the bacteria to organs of the reticulo-endothelial system. Typhoid fever represents a burden for public health, notably in developing countries where sanitary conditions are obsolete. The situation is further complicated by the appearance of strains resistant to antibiotics. Moreover, both of the licensed vaccines are of moderate efficiency, present certain technical constraints and are not appropriate for young children and newborns. The systemic phase of infection by Salmonella relies on its survival within macrophages of the immune system. In this intracellular compartment, the bacterium modulates antimicrobial defenses thanks to multiple virulence factors encoded within its genome. Molecular mechanisms taking place are complex and finely regulated. Despite scientific advances made previously, many misunderstandings persist concerning the adaptation of this pathogen within host macrophages. To better conceive the genetic determinants of S. Typhi involved in interaction with these cells, a negative selection strategy was applied to systematically verify the direct effect of genes during infection. Firstly, a library of transposon insertion mutants in S. Typhi was created for infection of cultured human macrophages. After 24 hours of infection, the presence of mutants was evaluated simultaneously by analysis on Salmonella microarrays. In total, 130 genes were selected for their potential contribution within infected macrophages. These genes included bacterial envelope components, fimbrial elements, portions of the flagellum, regulators, pathogenesis factors, and many proteins of unknown function. Secondly, this collection of genes led to the creation of 28 defined deletion mutants in S. Typhi. The ability of entry and intracellular replication of these mutants within human macrophages were characterized. To start, macrophages were coinfected with mutants in the presence of the wild-type strain, in order to verify the competitiveness of each of them against the latter. Then, mutants were inoculated individually into macrophages and their infectiveness was measured in comparison with the wild-type strain. In summary, 26 mutants presented defects when in competition, whereas 14 mutants were shown defective when tested alone. Furthermore, 12 mutants exposed a deficiency during mixed and individual infection experiments, including mutants acrA, exbDB, flhCD, fliC, gppA, mlc, pgtE, typA, waaQGP, STY1867-68, STY2346, and SPI-4. In particular, 35 new defective phenotypes of Salmonella entry or intracellular survival were revealed in this study. Data generated here provides significant novel insight for elucidating how S. Typhi manipulates its intracellular niche, leading to systemic infection. Genes described represent potential targets for attenuating the bacteria in the human host and could contribute to the development of better vaccine strains to immunize against typhoid fever.

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1. / Medical imaging based on fluorescence has suffered from the poor photostability and mediocre performance of organic fluorophores. The discovery and subsequent improvements in nanocrystal synthesis and functionalization has greatly benefited the applications in medical imaging and the development of nanocrystal-based sensors for diagnostics. QDs are semi-conductor nanocrystals which have similar sizes as proteins (2-10 nm). They are highly luminescent, and can be made to emit at any desired wavelength by varying their size and composition. The surface of QDs can be easily functionalized with biomolecules. Hence, it is interesting to study how QDs interact in the biological world. Highly luminescent core-shell QDs emitting at different wavelengths were prepared according to our needs. In a first study, the surface of the QDs was modified with various small bi-functional thiolated ligands (carboxylated, aminated and zwitterionic). The modified-QDs of nearly identical sizes were administered in vitro to study the impact of surface charge and cell type on the mode and extent of cell uptake and elimination. Using specific inhibitors of cell uptake we determined which modes contributed to the internalization of the QDs. Endocytosis mediated by lipid rafts represented the predominant pathway for the internalization of QDs. However, other modes contributed to a lesser degree, depending on the surface ligand. We then analyzed the effect of QD agglomeration in cell culture media on its cellular uptake by microglia. Thorough characterization of QD agglomerate size distribution was conducted by asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) with a dynamic light scattering detector. Depending on the type of surface ligand and if serum proteins were present, the agglomeration pattern of the QDs was significantly different. With inhibitors of specific modes of cell uptake, we showed that the size distribution data, obtained by AF4, correlated with the modes of cell uptake. Microglia cells are immune cells of the central nervous system (CNS). They respond to injury or the presence of inflammagens by producing pro-inflammatory cytokine. Inflammation in the CNS may lead to loss of neurons, and can found in many chronic diseases. We were interested in building nanosensors to measure the onset of inflammation. Current methods to study inflammation consist in measuring levels of certain proteins or chemicals released by stressed cell (e.g. Western blot or ELISA assay for IL-1β). Although precise, these methods measure indirectly the activity of the enzyme responsible for releasing IL-1β, i.e. caspase-1. Moreover, these methods cannot be applied to live cells. We designed a sensor based on FRET between a QD and a dye linked by a peptide specifically cleaved by the caspase-1. To induce inflammation, we applied lipopolysaccharides (LPS), which are endotoxins present in Gram negative bacteria responsible for sceptic shock. The LPS form nanoparticles due to their amphiphilicity. The interior hydrophobic regions were used to load hydrophobic QDs, making the LPS luminescent. The microglia internalized LPS-QD predominantly through TLR-4 membrane receptors. We describe how the LPS induce inflammation and demonstrated the functionality of the QD-based sensor. Eventually, the sensor could be used to monitor in real time the action of therapeutics against inflammation.

Dans cette thèse nous avons utilisé des méthodes de systèmes dynamiques et des simulations numériques pour étudier les mécanismes d'oscillations d'épilepsie associés à des concentrations d’ions dynamiques et au comportement bimodal des cellules Purkinje du cervelet. Le propos général de ce travail est l'interaction entre les propriétés intrinsèques des neurones simple et la structure d'entrée synaptique contrôlant l'excitabilité neuronale. Dans la première partie de la thèse nous avons développé un modèle de transition de crise épileptique dans le lobe temporal du cerveau. Plus précisément nous nous sommes concentrés sur le rôle du cotransporteur KCC2, qui est responsable de la maintenance du potassium extracellulaire et du chlorure intracellulaire dans les neurones. Des données expérimentales récentes ont montré que cette molécule est absente dans un groupe significatif de cellules pyramidales dans le tissue neuronal de patients épileptiques suggérant son rôle épileptogène. Nous avons trouvé que l'addition d’une quantité critique de cellules pyramidale KCC2 déficient au réseau de subiculum, avec une connectivité réaliste, peut provoquer la génération d’oscillations pathologiques, similaire aux oscillations enregistrées dans des tranches de cerveau épileptogène humaines. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons étudié le rôle du bruit synaptique dans les cellules de Purkinje. Nous avons étudié l'effet de l'inhibition de la génération du potentiel d’action provoquée par injection de courant de bruit, un phénomène connu comme résonance stochastique inverse (RSI). Cet effet a déjà été trouvé dans des modèles neuronaux, et nous avons fournis sa première validation expérimentale. Nous avons trouvé que les cellules de Purkinje dans des tranches de cerveau peuvent être efficacement inhibées par des injectionsde bruit de courant. Cet effet est bien reproduit par le modèle phénoménologique adapté pour différentes cellules. En utilisant des méthodes de la théorie de l'information, nous avons montré que RSI prend en charge une transmission efficace de l'information des cellules de Purkinje simples suggérant son rôle pour les calculs du cervelet. / In this thesis we used dynamical systems methods and numericalsimulations to study the mechanisms of epileptic oscillations associated with ionconcentration changes and cerebellar Purkinje cell bimodal behavior. The general issue in this work is the interplay between single neuron intrinsicproperties and synaptic input structure controlling the neuronal excitability. In the first part of this thesis we focused on the role of the cellular intrinsicproperties, their control over the cellular excitability and their response to thesynaptic inputs. Specifically we asked the question how the cellular changes ininhibitory synaptic function might lead to the pathological neural activity. We developed a model of seizure initiation in temporal lobe epilepsy. Specifically we focused on the role of KCC2 cotransporter that is responsible for maintaining the baseline extracellular potassium and intracellular chloride levels in neurons. Recent experimental data has shown that this cotransporter is absent in the significant group of pyramidal cells in epileptic patients suggesting its epileptogenic role. We found that addition of the critical amount of KCC2-deficient pyramidal cells to the realistic subiculum network can switch the neural activity from normal to epileptic oscillations qualitatively reproducing the activity recorded in human epileptogenic brain slices. In the second part of this thesis we studied how synaptic noise might control the Purkinje cell excitability. We investigated the effect of spike inhibition caused by noise current injection, so-called inverse stochastic resonance (ISR). This effect has been previously found in single neuron models while we provided its first experimental evidence. We found that Purkinje cells in brain slices could be efficiently inhibited by current noise injections. This effect is well reproduced by the phenomenological model fitted for different cells. Using methods of information theory we showed that ISR supports an efficient information transmission of single Purkinje cells suggesting its role for cerebellar computations.

Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique de l'hématopoïèse et des maladies sanguines. Plusieurs modèles traitant d'aspects différents et complémentaires de l'hématopoïèse y sont étudiés.Tout d'abord, un modèle multi-échelle de l'érythropoïèse est analysé, dans lequel sont décrits à la fois le réseau intracellulaire, qui détermine le comportement individuel des cellules, et la dynamique des populations de cellules. En utilisant des données expérimentales sur les souris, nous évaluons les rôles des divers mécanismes de retro-contrôle en réponse aux situations de stress.Ensuite, nous tenons compte de la distribution spatiale des cellules dans la moelle osseuse, question qui n'avait pas été étudiée auparavant. Nous décrivons l'hématopoïèse normale à l'aide d'un système d'équations de réaction-diffusion-convection et nous démontrons l'existence d'une distribution stationnaire des cellules. Puis, nous introduisons dans le modèle les cellules malignes. Pour certaines valeurs des paramètres, la solution "disease-free" devient instable et une autre solution, qui correspond à la leucémie, apparaît. Cela mène à la formation d'une tumeur qui se propage dans la moelle osseuse comme une onde progressive. La vitesse de cette propagation est étudiée analytiquement et numériquement. Les cellules de la moelle osseuse échangent des signaux qui régulent le comportement cellulaire. Nous étudions ensuite une équation integro-différentielle qui décrit la communication cellulaire et nous prouvons l'existence d'une solution du type onde progressive en utilisant la théorie du degré topologique et la méthode de Leray et Schauder. L'approche multi-agent est utilisée afin d'étudier la distribution des différents types de cellules dans la moelle osseuse.Finalement, nous étudions un modèle de type "Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics" du traitement de la leucémie par l'AraC. L'AraC agit comme chimiothérapie et induit l'apoptose de toutes les cellules proliférantes, saines et malignes. La pharmacocinétique donne accès à la concentration intracellulaire d'AraC. Cette dernière, à son tour, détermine la dynamique des populations cellulaires et, par conséquent, l'efficacité de différents protocoles de traitement. / This PhD thesis is devoted to mathematical modelling of haematopoiesis and blood diseases. We investigate several models, which deal with different and complementary aspects of haematopoiesis.The first part of the thesis concerns a multi-scale model of erythropoiesis where intracellular regulatory networks, which determine cell choice between self-renewal, differentiation and apoptosis, are coupled with dynamics of cell populations. Using experimental data on anemia in mice, we evaluate the roles of different feedback mechanisms in response to stress situations. At the next stage of modelling, spatial cell distribution in the bone marrow is taken into account, the question which has not been studied before. We describe normal haematopoiesis with a system of reaction-diffusion-convection equations and prove existence of a stationary cell distribution. We then introduce malignant cells into the model. For some parameter values the disease free solution becomes unstable and another one, which corresponds to leukaemia, appears. This leads to the formation of tumour which spreads in the bone marrow as a travelling wave. The speed of its propagation is studied analytically and numerically. Bone marrow cells exchange different signals that regulate cell behaviour. We study, next, an integro-differential equation which describes cell communication and prove the existence of travelling wave solutions using topological degree and the Leray-Schauder method. Individual based approach is used to study distribution of different cell types in the bone marrow. Finally, we investigate a Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics model of leukaemia treatment with AraC drug. AraC acts as chemotherapy, inducing apoptosis of all proliferating cells, normal and malignant. Pharmacokinetics provides the evolution of intracellular AraC. This, in turn, determines cell population dynamics and, consequently, efficacy of treatment with different protocols.

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.

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Le cancer du sein de phénotype « Basal-like » triple négatif (BLTN) est particulièrement agressif et de mauvais pronostic. Il est insensible aux traitements hormonaux laissant pour seule stratégie de traitement la chimiothérapie conventionnelle. De ce fait, de nouvelles thérapeutiques ciblées sont en développement, tels que les inhibiteurs de la Poly-ADP-Ribose-Polymerase (PARP). Dans ce contexte, nos travaux de recherche ont été orientés sur l’optimisation du traitement des cancers du sein BLTN en modélisant l’action d’un anti-PARP modèle, l’Olaparib sur la lignée SUM1315 de phénotype BLTN. Dans un premier temps, l’étude de la coexpression de la BCRP et de la P-gp, deux protéines « Multidrug Resistance » (MDR) majeures en présence de 50 µM d’Olaparib® a montré une induction de leurs expressions chez les cellules SUM1315, avec une réponse de type relais. La BCRP établirait une première ligne de défense cellulaire et son action serait ensuite relayée par la P-gp durant 24h de traitement. Ce mécanisme est en corrélation avec la concentration intracellulaire d’Olaparib mesurée par HPLC. L’ensemble de nos résultats suggère qu’il serait possible de contourner le mécanisme de résistance induit par les protéines MDR si une concentration stable en Olaparib est maintenue dans les cellules à long terme. Nous avons ensuite étudié la potentialisation de l’action de l’Olaparib en le combinant avec un traitement par radiothérapie à basse et haute énergie, sur la viabilité des cellules de la lignée SUM1315. La comparaison des résultats avec un traitement Olaparib seul ou irradiation seule et ceux des traitements combinés Olaparib/radiothérapie a alors mis en évidence un effet synergique des deux traitements sur la viabilité cellulaire. L’effet synergique de cette combinaison fonctionne même avec de faibles doses d’Olaparib. De cette manière, il serait possible de réduire les doses d’anti-PARP utilisées tout en gardant les bénéfices du traitement. Enfin, nous avons développé deux techniques de cultures cellulaires en trois dimensions (i) « hanging drop » et (ii) « liquid overlay », permettant de mimer plus fidèlement les conditions des tumeurs in vivo. L’observation en microscopie électronique à transmission et à balayage des sphéroïdes obtenus par ces deux techniques a permis de démontrer l’intégrité des cellules au sein des sphéroïdes ainsi que la formation de jonctions cellulaires. Cependant, les sphéroïdes obtenus en « liquid overlay » ont montré une meilleure intégrité ultra-structurale. / « Triple Negative Basal-Like » (BLTN) breast cancer is particularly aggressive and of poor prognosis. It is insensitive to hormone-targeted therapies leaving conventional chemotherapy as the only treatment strategy. Therefore, new promising targeted therapies are being developed, such as Poly-ADP-Ribose-Polymerase inhibitors (anti-PARPs). In this context, our research has been directed towards optimizing the treatment of BLTN breast cancer by modelling the action of an anti-PARP model, Olaparib®, on BLTN cell line SUM1315. Firstly, the study of the co-expression of BCRP and P-gp, two major “Multidrug Resistance” proteins (MDR) in the presence of 50 µM Olaparib® showed an induction of their expression in SUM1315 cells, with a relay-type response. BCRP would establish a first line of cellular defense and its action would then be taken over by P-gp, for 24h of treatment. This mechanism is correlated with the intracellular concentration of Olaparib® measured by HPLC. All of our results suggest that it would be possible to circumvent the induced MDR resistance mechanism if a stable concentration of Olaparib® is maintained in cells in the long term. Secondly, we studied the potentiation of the action of Olaparib® combining it with low and high-energy radiations on the viability of SUM1315 cells. Comparison of the results with single Olaparib®, single irradiation, or the combination of Olaparib®/radiotherapy then demonstrated a synergistic effect of the two treatments when delivered concomitantly, on cell viability. The synergistic effect of this combination works even with low doses of Olaparib®. In this way it would be possible to reduce the anti-PARP doses while maintaining the benefits of this treatment. Finally, we have developed two techniques of cell culture in three dimensions: (i) "hanging drop" and (ii) "liquid overlay", in order to mimic more accurately the conditions of tumours in vivo. Observations of spheroids obtained by these two techniques by transmission and scanning electron microscopy demonstrated the integrity of cells within as well as the formation of cell junctions. However, the spheroids obtained by "liquid overlay" showed better ultra-structural integrity.