Biophysical approach of the mucociliairy function of the bronchial epithelium : mucus rheology and coordination of the cilia beating

Comprendre et soigner les pathologies respiratoires chroniques constituent des enjeux médicaux croissants du fait des modifications de nos modes de vie et de notre environnement. L’épithélium des voies respiratoires assure le rôle de première barrière contre les agressions extérieures grâce à la fonction muco-ciliaire. Les deux éléments fonctionnels de la fonction muco-ciliaire sont la couche de mucus sécrétée par l’épithélium et le battement des cils des cellules ciliées qui contribue à la mise en mouvement de cette couche et à son évacuation des bronches. Le mucus est un fluide complexe et hétérogène et ses propriétés mécaniques couplées aux mécanismes de coordination des cils restent encore mal compris. Mes travaux de thèse ont porté sur une approche biophysique de ces mécanismes. Premièrement, l’étude de la rhéologie du mucus a été menée à deux échelles : en macro-rhéologie de cisaillement et par micro-rhéologie active grâce aux pincettes optiques. Les pincettes optiques permettent également des mesures in situ sur le tissu et des mesures d’adhésion. L’utilisation de la rhéologie comme marqueur des pathologies respiratoires chroniques a été explorée. Deuxièmement, la quantification et la compréhension de la coordination spatiotemporelle de l’activité ciliaire et du transport du mucus engendré ont été conduites, en développant un nouvel outil de traitement d’images de vidéo-microscopie et d’analyse de données.Understanding and treating chronic respiratory diseases are growing medical challenges due to changes in our lifestyles and environment. The epithelium of the respiratory tract is the first barrier against external aggression, in particular thanks to the mucociliary function. Functional elements are the mucus layer lining the tissue and the beating of cilia from the ciliated cells of the epithelium. Mucus is a complex and heterogeneous fluid that acts as a protective barrier by trapping particles and pathogens present in the inhaled air, while the coordination of the cilia beating allows the directed transport of the mucus layer and its evacuation from the bronchi. The mechanical properties of mucus coupled with the coordination mechanisms of beating cilia are still poorly understood. My thesis work focused on two biophysical aspects of these mechanisms: i) the study of mucus rheology at two scales, in macro-rheology and by active micro-rheology using optical tweezers directly on the tissue; ii) the understanding and quantification of the spatiotemporal coordination of ciliary activity and on the associated mucus transport, by developing a new tool for processing video-microscopy images and data analysis