Ce premier chapitre introduit les diérentes notions qui sont utiles pour la suite. Nos travaux se focalisent sur la réponse cellulaire au choc thermique, aussi bien sur l'aspect dynamique de la réponse centré sur les variables clés, que sur le destin cellulaire de mort ou de survie à l'issue de l'exposition à des stress de diérentes sévérités.
Le chapitre 2 présente une étude de l'eet de la forme temporelle du stress thermique sur cette réponse dans un cadre de dosimétrie thermique à iso-eet biologique en utilisant un modèle de réseau de réponse au choc thermique (RRCT ) couplé à une équation de population comportant une fonction de mort probabiliste.
Dans le chapitre 3, le modèle précédemment mentionné est réduit, et utilisé par la suite dans l'étude de la potentielle synergie entre le choc thermique et l'inhibition des chaperons HSP, puis dans la reproduction des données de survie cellulaire au stress thermique de plusieurs lignées.
Le chapitre 4 traite la modélisation de la voie apoptotique de la mort cellulaire qui doit aboutir sur une réponse binaire décrivant le destin d'une cellule unique. Nous utilisons ensuite ce modèle de l'apoptose dans le chapitre 5 en le couplant au modèle RRCT, pour réaliser une étude de la variabilité de la réponse au sein d'une colonie de cellules exposées à un même stress en y ajoutant une diérence de concentration sur les protéines clés du réseau de réponse.
En n, nous développons dans le chapitre 6 un modèle réduit générique de la réponse au stress que nous utilisons dans l'étude de la réponse cellulaire au stress transitoires de durées et d'intensités variables à travers l'analyse des courbes iso-eet.
Chapitre 2
Eets de la forme temporelle du stress
thermique sur la survie cellulaire
2.1 Introduction
L'hyperthermie a largement été utilisée comme traitement anti-cancer [112], particulièrement en combinaison avec la chimiothérapie [113, 114] ou la radiothérapie [112, 115], et des études ont montré que l'hyperthermie peut améliorer le rendement de l'immunothérapie [8,116,117]. A l'intérieur des cellules, le choc thermique cause la dénaturation des protéines et donc la perte de leur fonction, ce qui peut amener à un dysfonctionnement cellulaire et potentiellement à la mort [118]. Adoptant une méthode heuristique d'analyse de régression des courbes de survie cellulaire en réponse à une impulsion de stress thermique, un outil standard de détermination de la dose thermique, le Cumulative Equivalent Minutes at 43 (CEM43), a été développé [16] et reste énormément utilisé, même dans le cas les pro ls temporels de température complexes comportant des variations rapides et irrégulières.
En parallèle, les voies intracellulaires de signalisation, de régulation et de réparation impli- quées dans la réponse à l'hyperthermie ont été largement caractérisées [119121], et des modèles mathématiques du réseau de réponse au choc thermique (RRCT ) orientés par les données ex- périmentales ont été établis [122124]. Les modèles dynamiques du RRCT orent la possibilité de simuler et prédire l'évolution temporelle des protéines dénaturées, des chaperons HSP, et de leurs facteurs de transcription HSF1, en réponse à n'importe quel pro l temporel de dose ther- mique singulière. L'étude quantitative de la dynamique intracellulaire peut donc être exploitée pour déduire la réponse de survie cellulaire à des conditions de stress temporellement variables. Dans cette étude, nous revisitons le concept de dose thermique dans un cadre de dynamique des réseaux de réponse au stress. Pour ce faire, nous construisons un modèle mathématique cou- plant le RRCT à une équation de population probabiliste pour dé nir les courbes de survie cel- lulaire en réponse à des pro ls temporels d'hyperthermie de forme rectangulaire (impulsions) [1] et avec une précision similaire à celle du CEM43. Néanmoins, le comportement dynamique d'un modèle de réseau implique une réponse de survie qui peut être sensible à la forme du pro l temporel du protocole d'hyperthermie puisque le système est caractérisé, entre autres, par ses échelles de temps.
En eet, nos simulations et expériences in vitro montrent que pour une dose thermique CEM43 donnée, un protocole caractérisé par une élévation rapide de la température suivie par une baisse lente peut être jusqu'à deux fois plus létal qu'un autre présentant une élévation lente suivie par une baisse rapide. Ce phénomène contredit formellement les prédictions du CEM43, et est désigné sous le nom d'eet d'asymétrie. En n, une xation de l'activité transcriptionnelle
de HSF1 dans les simulations montre que la régulation de la production des protéines chaperons par leur facteur de transcription n'est pas le mécanisme responsable de cet eet.
Pour clari er notre méthodologie, les étapes de l'étude sont présentées dans la gure (2.1). La première étape consiste à calibrer le modèle mathématique de survie cellulaire en réponse au stress thermique développé pour reproduire les mesures expérimentales de fraction de survie de la lignée HeLa. Par la suite, le modèle est utilisé dans la simulation de l'eet d'asymétrie en réponse à deux protocoles thermiques temporellement symétriques (et donc, portant la même dose CEM43 ) dans la deuxième étape. En n, dans la troisième étape, nous validons expérimen- talement l'eet d'asymétrie prédit.
Effet d'asymétrie Ajustement (1) Reproduction (1) Validation (3) Prédiction (2) Données expérimentales A Données expérimentales B Modèle de survie cellulaire
Figure 2.1 Schéma représentatif des étapes méthodologiques de l'étude. Les données expérimentales sont en bleu foncé, la modélisation mathématique en bleu clair et les prédictions du modèle en orange. Les nombres entre parenthèses désignent l'ordre des étapes.