Description des données disponibles

L’analyse a été effectuée sur des données issues du traitement des images brutes. A partir des images DAPI et EdU (Figure 3.2), les noyaux des cellules avaient déjà été contourés et le décompte des noyaux marqués à l’EdU avaient déjà été effectués à l’aide du logiciel Cellomics Scan (logiciel commercial associé à l’équipement d’analyse en High Content Screening (HCS) Cellomics R, Thermofisher). Les données qui nous ont été transmises se présentent sous la forme d’un tableau contenant, pour chaque sphéroïde :

— la liste des distances des cellules à la surface du sphéroïde,

— la liste des états positifs/négatifs à l’EdU pour chacune des cellules du sphéroïde.

Nous présentons en Figure 3.3 un schéma du format des données dont nous disposons pour 10 sphéroïdes de l’expérience CAPAN-2 contrôle au jour J5 (l’expérience CAPAN-2 contrôle est décrite au paragraphe suivant).

3.2. Les données expérimentales disponibles 73

Figure 3.2 – Visualisation de la répartition des cellules proliférantes sur une coupe 2D d’un sphéroïde de cellules de la lignée CAPAN-2 après 24h d’incorporation du marqueur EdU (en rouge). Les noyaux, marqués au DAPI, sont représentés en bleu. Image tirée de [66]. a) Petit sphéroïde (après 1-2 jours de croissance). b) Gros sphéroïde (après 4-5 jours de croissance).

0 100 200 300

5 10

distance à la surface (en µm)

numéro

du

sphéroïde

noyau cellule EdU positive

Figure 3.3 – Représentation des données disponibles pour 10 sphéroïdes de l’expérience CAPAN-2 contrôle au jour J5. Pour chaque sphéroïde i, sont représentées en ligne i les positions des noyaux marqués au DAPI (barres bleues, positionnées en partie supérieure de la ligne i) ainsi que les positions des noyaux marqués à l’EdU (barres rouges, positionnées en partie inférieure de la ligne i).

Pour ce travail, nous avons utilisé les données de croissance de sphéroïdes issues de 2 lignées cellulaires différentes. Pour chacune de ces lignées cellulaires, nous avons eu accès à des données réalisées dans deux conditions différentes. Nous présentons aux paragraphes suivants ces différentes données.

Données de sphéroïdes de la lignée cellulaire CAPAN-2

La lignée cellulaire CAPAN-2 est une lignée de cellules tumorales pancréatiques humaines. Pour cette expérience, deux conditions expérimentales ont été étudiées, à deux concentrations en EGF différentes. Lors de la phase de formation des sphéroïdes, ceux-ci ont été placés dans des conditions d’abondance en EGF, à 20 ng/mL, afin de limiter l’apparition de cellules quiescentes.

Puis à J0, tous les sphéroïdes ont subi 3 lavages de 5 minutes avec une solution saline (PBS) à 37^◦C. Ensuite les sphéroïdes ont été partagés en deux groupes.

— Pour le premier groupe, appelé CAPAN-2 contrôle dans toute la suite de cette étude, les sphéroïdes ont été placés dans un milieu réinitialisé à l’identique de celui du début de l’expérience.

— Pour le second groupe, appelé CAPAN-2 quiescent dans la suite, les sphéroïdes ont été placés en condition minimale de concentration en EGF, afin d’observer l’apparition du gradient de prolifération tout en prévenant l’apparition de nécrose.

Pour cet ensemble d’expériences, les sphéroïdes ont été suivis sur 7 jours après J0 avec des mesures chaque jour entre J1 et J7. Du fait des contraintes imposées par l’expérience, aucune mesure n’a été effectuée à J6 pour ces données.

En plus des données de répartition des cellules proliférantes à l’intérieur des sphéroïdes, nous disposons également des données de croissance libre de sphéroïdes soumis aux même conditions expérimentales que pour les sphéroïdes des groupes CAPAN-2 contrôle et CAPAN-2 quiescent. Ces données ne sont constituées que des informations de volume des sphéroïdes mais ont l’avantage d’être continues en temps : les sphéroïdes ont été laissés dans les mêmes conditions expérimentales de J0 à J7, sans intervention. Nous verrons également au Chapitre 5 Section 5.4.1 que ces données sont moins bruitées que les données de volume des sphéroïdes ayant été fixés pour obtenir les images.

Données de sphéroïdes de la lignée cellulaire HCT-116

La lignée cellulaire HCT-116 est constituée de cellules du colon. Dans le cadre de ce travail, deux conditions expérimentales différentes ont été étudiées.

— Dans un premier cas, les sphéroïdes ont été mis dans un milieu avec une concentration en oxygène de 21%, correspondant à la concentration à l’air libre ;

— Dans un second cas, les sphéroïdes ont été placés dans un milieu avec une concentration en oxygène de 5%, ce qui correspond à la concentration qui est observée dans les tissus. Pour ces deux groupes, les sphéroïdes ont été suivis sur 6 jours après J0 avec des mesures à J3 et J6.

Chapitre 4

Un modèle mathématique pour la

croissance de sphéroïdes tumoraux

L’objectif de ce chapitre est de développer un modèle qui permette de reproduire le gradient de prolifération qui est observé dans les données expérimentales présentées au Chapitre précédent. Pour cela, le modèle que nous allons développer doit présenter plusieurs caractéristiques :

— le modèle doit prendre en compte deux types de cellules : les cellules proliférantes, celles qui sont positives au marqueur EdU, ainsi que les cellules quiescentes, celles qui sont négatives au marqueur EdU,

— puisque nous disposons d’une information spatiale, la distribution de cellules proliférantes et quiescentes à l’intérieur d’un sphéroïde, le modèle doit être spatial,

— les expériences ayant été réalisées dans différentes conditions de concentration pour l’EGF et l’oxygène, le modèle doit dépendre de cette concentration en EGF/oxygène.

Nous commençons par décrire le modèle que nous allons utiliser dans la section suivante. Du fait de l’invariance par rotation des expériences de croissance de sphéroïde, nous présentons en Section 4.2 une réécriture du modèle en coordonnées radiales. La Section 4.3 est consacrée à l’étude de quelques propriétés mathématiques du modèle qui nous seront utiles par la suite. Enfin nous présentons en Section 4.4 la méthode numérique utilisée pour effectuer des simulations du modèle ainsi que quelques premiers résultats de simulation.

4.1 Description du modèle

Comme nous disposons de données discrètes, avec des informations cellule par cellule, il pourrait être intéressant de développer un modèle discret, par exemple un modèle de type agent. En effet ce type de modèles est très adapté pour des cultures de cellules, notamment parce qu’ils permettent de modéliser directement les différentes populations de cellules qui sont observables dans les cultures de cellules. Néanmoins, le travail présenté ici s’inscrit dans le projet plus général de l’équipe MONC qui est de modéliser la croissance de tumeurs chez le patient. Par conséquent, nous avons décidé de développer un modèle d’équations aux dérivées partielles qui reprend les idées de base de [85].

Pour un sphéroïde tumoral, nous notons R(t) son rayon à la date t et notons S(t) le domaine qu’il occupe dans l’espace. Dans les données, nous disposons des informations de distribution spatiale de deux types de cellules :

— nous appelons cellules proliférantes, les cellules dont le marquage à l’EdU est positif et nous notons P (t, x) ∈ [0, 1] leur densité à l’instant t à la position x,

— nous appelons cellules quiescentes, les cellules (visibles grâce au marquage DAPI) qui ne présentent pas de marquage EdU et nous notons Q(t, x) ∈ [0, 1] leur densité à l’instant t à la position x. R(t) R(t) S(t) P + Q = 1_S(t) P + Q = 1_S(t) C = C₀

Figure 4.1 – Représentation schématique d’un sphéroïde comportant une couronne proliférante avec P = 0.7 en gris foncé et un cœur quiescent au centre avec P = 0.3 en gris clair.

Nous faisons l’hypothèse que les cellules proliférantes prolifèrent à un taux γ0(C(t, x)), pouvant dépendre de la concentration locale en facteur de croissance (EGF) et en oxygène, notée C(t, x). Si cette concentration vient à diminuer, par exemple au centre du sphéroïde lorsque les cellules en périphérie du sphéroïde ont consommé tout le facteur de croissance et l’oxygène disponibles, les cellules en condition d’hypoxie vont passer de l’état proliférant à l’état quiescent, dans lequel elles arrêtent leur prolifération. Nous notons γ1(C(t, x)), ce taux de passage en quiescence. Pour le choix des fonctions γ0 et γ1, nous considérons des fonctions sigmoïdes. Nous présentons au Chapitre 5 le choix que nous avons retenu pour la calibration du modèle.

De la même façon que pour le modèle étudié au Chapitre 2, nous faisons l’hypothèse que le mouvement des cellules est un mouvement passif induit par la prolifération cellulaire. Nous notons v(t, x) la vitesse de transport passif des cellules. Ainsi en effectuant un bilan de masse, nous obtenons les équations suivantes sur les densités de cellules P et Q :

∂_tP +∇ · (vP ) = γ0(C)P − γ1(C)P, (4.1)

∂tQ +∇ · (vQ) = γ1(C)P. (4.2)

Nous faisons l’hypothèse que le volume des cellules est constant (en temps et en espace) et que le sphéroïde n’est constitué que de cellules proliférantes ou quiescentes, ce qui conduit à l’hypothèse de saturation suivante :

P (t, x) + Q(t, x) = 1_S(t)(x), pour tout t, x, (4.3) où 1_S(t) est la fonction indicatrice du sphéroïde (valant 1 dans le sphéroïde, 0 en dehors). Remarque 4.1.1. Nous pourrions également considérer que, sous une certaine concentration en EGF et oxygène, les cellules meurent et forment alors de la nécrose, comme dans le modèle de croissance de GIST étudié au Chapitre 2. Néanmoins, les conditions expérimentales ont été choisies de sorte à ce que cet effet ne se produise pas. Nous pouvons constater l’absence de cœur nécrotique même après 7 jours de mise en quiescence (voir la Figure 4.2).