Poromécanique des tumeurs osseuses

Les recherches menées dans le thème « poromécanique des tumeurs osseuses » visent à étudier les couplages entre les effets mécaniques dans le tissu tumoral poreux (déformation, transport, écoulement, réactions …) et les phénomènes biologiques (distribution des populations cellulaires …) pour répondre à des questionnements cliniques.

Les applications qui motivent nos travaux sont principalement : l’étude de la croissance des tumeurs, la variabilité de la réponse des patients aux traitement ainsi que la recherche de mécano-biomarqueurs pour l’amélioration de la prise en charge thérapeutique des patients.

L’objet d’étude est l’ostéosarcome, une tumeur primaire de l’os caractérisée par la croissance de tissu osseux malin. L’ostéosarcome est le type de tumeurs osseuses primaires le plus fréquent chez les adolescents et les jeunes adultes. Les traitements actuels consistent à combiner chirurgie et chimiothérapie. Cette approche thérapeutique très invasive conduit à un taux de survie à 5 ans de 70 à 75% dans l’ensemble mais qui est réduit à 25% pour les patients avec des métastases ou mauvais répondeurs aux traitements. La prise en charge des malades n’a pas évolué depuis plus de trois décennies et de nouvelles stratégies de suivi et de traitement sont nécessaires.

Or, il a été identifié dans la littérature qu’il existait un couplage fort entre les effets mécaniques (déformation, écoulements, transport réactif) et la croissance ou le traitement des tumeurs. Dans les états pathologiques, en combinaison avec les spécificités métaboliques et ou génétiques des patients, la fluctuation spatio-temporelle de ces effets mécaniques induit des changements de comportement au niveau cellulaire et moléculaire entraînant une cascade d’événements conduisant à la dérégulation des tissus sains et l’expansion des tissus tumoraux ou à une non réponse à la chimiothérapie.

L’approche proposée pour étudier le couplage entre les effets mécaniques et l’évolution des tumeurs est mixte et couple le développement théorique de modèles poro-mécaniques, leur implémentation numérique et la mise en place de caractérisations expérimentales. Des images issues du suivi clinique et dans l’avenir des échantillons de tissus tumoraux humains (collaboration Centre de Ressources Biologiques-Cancer de Toulouse) sont et seront utilisés.  

Concernant les expériences deux dispositifs ont été développés : l’analyse modale pour échantillons biologiques [1] et la caractérisation de paramètres poromécaniques par tomographie à rayons X [2]. Du point de vue numérique deux codes ont été développés : MECHISTO qui réalise du traitement d’images de coupes histologiques et immunohistologiques par des méthodes de machine learning et TUMUPSCALE dans lequel des méthodes d’homogénéisation numérique sont implémentées à partir d’images binaires obtenues par MECHISTO.

Ces travaux, s’appuyant sur des données cliniques [3], se caractérisent par la prise en compte de couplages complexes impliqués dans l’étude de la mécanique des tissus biologiques poreux, tels que les aspects multi-échelles, l’évolution spatio-temporelle du milieu (phénomènes de réaction, diffusion, convection), la déformation des tissus et leur hétérogénéité, dans un but de transfert potentiel vers le milieu médical.

Articles :

[1] M. Blondel, Y. Abidine, P. Assemat, S. Palierne, P. Swider, Identification of effective elastic modulus using modal analysis; application to canine cancellous bone, Journal of Biomechanics, Volume 110, 2020, 109972. 

[2] R. Riesco, L. Boyer, S. Blosse, P. M. Lefebvre, P. Assemat, T. Leichle, A. Accardo, L. Malaquin, Water-in-PDMS Emulsion Templating of Highly Interconnected Porous Architectures for 3D Cell Culture ACS Applied Materials & Interfaces 2019 11 (32), 28631-28640.

[3] Gomez-Brouchet et al, New concept of Osteosarcoma treatment: The importance of the macrophage and osteoclast balance in the Osteosarcoma tumor microenvironment. A study of the French sarcoma group

Segmentation d’une coupe immunohistologique par machine learning, cartographies de porosité et de densité en macrophages CD68 (QBI conférence, Oxford, 2020 - A. Mancini et al.).
Découpe (a) et caractérisation (c-d) de la microarchitecture de l’os trabéculaire de chien par tomographie à rayons X [1]. Préparation de l’échantillon pour mesures expérimentales d’élasticité effective par analyse modale (b).

Permanent.e.s du groupe associé.e.s : Assemat P., Swider P., Accadbled F., Sales de Gauzy J., Lorthois S., Quintard M.

Non-permanent.e.s du groupe associé.e.s : Abidine Y. (2016-2018), Lefebvre P. (2018-2019), Mancini A. (2018-), Moreno A. (2018-)

Collaborations extérieures : Gomez-Brouchet A. (directrice du Centre de Ressources Biologiques-Cancer de Toulouse, ), P. Royer (LMGC, Montpellier), Mansard V. (LAAS, Toulouse), Malaquin L. (LAAS), Palierne S. (Ecole Vétérinaire Nationale de Toulouse)