Thèse Effet de la Viscoélasticité sur la Clairance de Mucus dans l'Arbre Trachéobronchique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques Direction de la thèse : Georg DIETZE ORCID 0000000314955505 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59 La clairance de mucus dans l'arbre trachéobronchique (ATB) humain est assurée par deux mécanismes: (1) la clairance mucociliaire, c.-à-d. par le battement coordonné de cils couvrant l'épithélium et immergés dans une couche périciliaire de liquide newtonien, permettant ainsi le transfert de quantité de mouvement à la couche de mucus au dessus; (2) la toux, c.-à-d. une augmentation soudaine du débit d'air, qui s'installe lorsque les voies respiratoires sont obstruées par des bouchons de mucus se formant dû à l'instabilité de Plateau-Rayleigh.

Bien que l'importance de la rhéologie du mucus, et en particulier sa viscoélasticité, soit reconnue pour les maladies respiratoires telles que la mucoviscidose, les mécanismes sous-jacents restent à élucider et à quantifier (Spagnolie et al., Springer, 2015) : ``Why clearance is reduced is an open question, relating back to the need for predictive models that evaluate clearance efficiency versus viscoelastic characterization''. En raison de la complexité du système physiologique considéré, p. ex. l'interaction fluide-structure liée à la MCC, ou encore la géométrie de l'ATB, les modèles théoriques/numériques disponibles restent limités (Levy et al., Int. Com. Biol., 2014) : ``Mathematically, the flow of mucus in biologically relevant geometries, volumes, and driving conditions has not been simulated yet with any degree of physiological relevance''. De tels modèles doivent être validés et alimentés par des expériences de laboratoire ex vivo qui visent certaines caractéristiques clés du système physiologique entier.

Dans ce projet de thèse, nous visons à élucider davantage l'hydrodynamique de la clairance de mucus, et en particulier le rôle de la viscoélasticité, par trois voies :

Modélisation et simulations : Développer un modèle hydrodynamique continu, qui tient compte (i) de la viscoélasticité du mucus, (ii) du transfert de quantité de mouvement depuis les cils, (iii) de la géométrie cylindrique des voies respiratoires (cause de l'instabilité de Plateau-Rayleigh), (iv) de la sécrétion continue de mucus à la surface épithéliale, (v) de l'effet de différents régimes d'écoulement d'air, c.-à-d. la respiration normale, la ventilation assistée et la toux. Cette approche combinera des simulations numériques directes avec le code Basilisk et des solutions asymptotiques dans la limite des écoulements de Stokes. Des résultats préliminaires suggèrent que la viscoélasticité peut précipiter la rupture du bouchon, un phénomène associé à des oscillations spatio-temporelles dans le film résiduel de part et d'autre d'un bouchon. Ces simulations seront effectuées sur des domaines axisymétriques ou entièrement tridimensionnels, à l'aide de calcul haute-performance, p. ex. au méso-centre RUCHE.

Expériences en laboratoire : Développer un modèle expérimental utilisant la microfluidique pour étudier le problème des événements d'occlusion, qui sont d'une pertinence médicale. L'accent sera mis sur la dynamique et la rupture des bouchons de liquide, entraînés par un gradient de pression, dans les fluides viscoélastiques. Des résultats préliminaires ont mis en évidence l'influence de la viscoélasticité sur la forme et la dynamique du bouchon, un effet qui reste à explorer davantage. Les expériences permettront de réaliser un régime d'écoulement de gaz pulsé et représenteront l'effet de la rhéologie du mucus en utilisant différents fluides modèles.

Bio-ingénierie : Développer des collaborations avec le domaine médical, c.-à-d. les médecins, les spécialistes de l'imagerie médicale et les équipes de recherche pharmaceutique, afin d'assurer la pertinence physiologique des approches de modélisation et expérimentales développées. L'un des défis à long terme est la mise à l'échelle du modèle hydrodynamique pour représenter l'ensemble de l'ATB tridimensionnel (216 générations de voies respiratoires), que nous visons à réaliser en combinant des modèles de couche mince et des modèles de bifurcation. Le projet de thèse se déroulera au laboratoire FAST (CNRS, Université Paris-Saclay) dans le cadre d'une activité de recherche collaborative en cours sur la thématique de l'hydrodynamique du mucus. Cette thématique a déjà reçu un financement de postdoc du Labex LaSIPS en 2022 ainsi qu'un financement CNRS Ingénierie en 2023 pour l'équipe-projet MUCUS, impliquant Charlotte de Blois (FAST), Neil Ribe (FAST), Marcel Filoche (Institut Langevin, Institut Mondor), Nicolas Grenier (LISN) et Georg Dietze (FAST). D'autres collaborateurs nationaux et internationaux sont Francesco Romano (ENSAM Lille), Anjishnu Choudhury (IIT Bombay), Paula Vasquez (Univ. de Caroline du Sud), David Hill (Univ. de Caroline du Nord), Reed Ogrosky (Virginia Commonwealth Univ.), Suguru Shiratori (Tokyo City Univ.) et Ichiro Ueno (Tokyo Univ. of Science). Ce consortium à déposé en 2024 et 2025 le projet ANR intitulé mucusFILMS: Modélisation de l'hydrodynamique des films de mucus à l'échelle de l'arbre trachéo-bronchique. Modélisation et simulations : Développer un modèle hydrodynamique continu, qui tient compte (i) de la viscoélasticité du mucus, (ii) du transfert de quantité de mouvement depuis les cils, (iii) de la géométrie cylindrique des voies respiratoires (cause de l'instabilité de Plateau-Rayleigh), (iv) de la sécrétion continue de mucus à la surface épithéliale, (v) de l'effet de différents régimes d'écoulement d'air, c.-à-d. la respiration normale, la ventilation assistée et la toux. Cette approche combinera des simulations numériques directes avec le code Basilisk et des solutions asymptotiques dans la limite des écoulements de Stokes. Des résultats préliminaires suggèrent que la viscoélasticité peut précipiter la rupture du bouchon, un phénomène associé à des oscillations spatio-temporelles dans le film résiduel de part et d'autre d'un bouchon. Ces simulations seront effectuées sur des domaines axisymétriques ou entièrement tridimensionnels, à l'aide de calcul haute-performance, p. ex. au méso-centre RUCHE.

Expériences en laboratoire : Développer un modèle expérimental utilisant la microfluidique pour étudier le problème des événements d'occlusion, qui sont d'une pertinence médicale. L'accent sera mis sur la dynamique et la rupture des bouchons de liquide, entraînés par un gradient de pression, dans les fluides viscoélastiques. Des résultats préliminaires ont mis en évidence l'influence de la viscoélasticité sur la forme et la dynamique du bouchon, un effet qui reste à explorer davantage. Les expériences permettront de réaliser un régime d'écoulement de gaz pulsé et représenteront l'effet de la rhéologie du mucus en utilisant différents fluides modèles.

Bio-ingénierie : Développer des collaborations avec le domaine médical, c.-à-d. les médecins, les spécialistes de l'imagerie médicale et les équipes de recherche pharmaceutique, afin d'assurer la pertinence physiologique des approches de modélisation et expérimentales développées. L'un des défis à long terme est la mise à l'échelle du modèle hydrodynamique pour représenter l'ensemble de l'ATB tridimensionnel (216 générations de voies respiratoires), que nous visons à réaliser en combinant des modèles de couche mince et des modèles de bifurcation.

Il est demandé que la candidate ou le candidat ait une solide formation en mécanique des fluides et un intérêt pour les écoulements biologiques. Une curiosité pour la recherche interdisciplinaire, en particulier en lien avec la recherche médicale serait appréciée. Les différents axes proposés nécessitent une variété de compétences et peuvent être abordés entièrement ou partiellement, en fonction des intérêts des candidat.e.s :

- Axe de modélisation : Ce domaine nécessite un goût avéré pour les approches théoriques et numériques de la mécanique des fluides. La connaissance d'un langage de programmation, tel que Fortran ou C++, sera particulièrement appréciée. Des simulations numériques directes seront effectuées à l'aide du code Basilisk et des développements asymptotiques seront effectués avec Mathematica. Les modèles de lubrification à couche mince seront développés à l'aide de Mathematica et résolus numériquement via des codes Fortran dédiés.

- Axe expérimental : Ce domaine est consacré à des expériences micro-fluidiques visant à modéliser le système de clairance de mucus biologique. Il conviendra à des candidats curieux et méthodiques ayant un intérêt pour le travail expérimental. Une expérience dans les laboratoires expérimentaux et/ou dans le traitement d'images et l'analyse de données (Matlab/Python) serait appréciée.