Biomécanique & Appareil Respiratoire

Contacts

Responsable Bruno Louis

Tél.: +33-(0)1 49 81 36 76
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Thème de recherche :

L’équipe développe une recherche à la fois fondamentale et appliquée faisant appel à la biomécanique, la bio-ingénierie et aux sciences biomédicales. L’objectif est, en suivant une approche multi-échelles, de comprendre l’impact des forces mécaniques sur la physiologie et la physiopathologie de l’appareil respiratoire. L’équipe se caractérise par sa multidisciplinarité qui se matérialise par une double affiliation INSERM/UPEC (principale) et CNRS INSIS (secondaire).

L’équipe a  un fort ancrage clinique en raison de son implantation dans un grand centre hospitalier. Au travers des médecins cliniciens présents dans l’équipe (réanimateurs adulte et pédiatriques, chirurgiens ORL, pneumologues…), l’équipe a accès à plusieurs réseaux de patients de soins intensifs, réanimation, ORL, adultes et nouveau-nés, ventilés ou non mécaniquement (REVA : Réseau Européen de Ventilation Artificielle; RADICO : RAre DIsease COhort; Fondation PREMUP), qui nous alimentent en problématiques physiopathologiques permettant d’aller des mécanismes fondamentaux jusqu’à l’évaluation clinique des concepts proposés (études multicentriques).

L’activité de l’équipe s’articule autour de deux axes interactifs qui sont :

i) l’optimisation de la ventilation mécanique, et

ii) la biomécanique des voies aériennes : des voies aériennes supérieures aux alvéoles.

Axe Optimisation de la ventilation mécanique

Cet axe directement orienté vers les applications cliniques, vise l’optimisation de la ventilation mécanique avec en particulier la gestion de la ventilation non-invasive et des interfaces patient-machine. Notre groupe occupe une place de premier plan au niveau mondial à travers ses travaux sur la ventilation non-invasive par pression positive. Ce traitement s’est révélé être un succès thérapeutique majeur pour les patients en phase aiguë de détresses respiratoires chroniques ou pour les patients souffrant de maladies neuromusculaires, est devenu la méthode utilisée en 1^ère intention par les services cliniques. Les questions actuellement étudiées concernent premièrement le transfert vers le nouveau-né prématuré des outils d’évaluation clinique et concepts de bio-ingénierie que nous avons développés chez l’adulte.

La deuxième question concerne l’évaluation et l’optimisation des modes de ventilation et le développement de nouvelles méthodes d’exploration du système respiratoire. L’optimisation des modes de ventilation mécanique nécessite de mesurer, de modéliser pour rendre plus pertinente l’interprétation physiologique et clinique des paramètres mécaniques globaux du système respiratoire généralement obtenus à l’entrée des voies aériennes (débit, pression, impédance respiratoire).

Cette activité de recherche est effectuée en partie in vitro sur des modèles physiques et en partie in vivo par des investigations au lit du malade. Elle inclue aussi le développement de modèles cellulaire ex vivo pour évaluer les effets biologiques à différentes échelles (cellule/cytosquelette/récepteurs) afin d’établir de nouveaux critères de protection contre l’agression et leur traduction au niveau de l’organe afin de développer de nouveaux modes de ventilation dits « protecteurs ».

Axe Biomécanique des voies aériennes : des voies aériennes supérieures aux alvéoles.

Dans la voie aérienne de conductions les interactions entre les parois des voies aériennes (l’organe) et l’écoulement (l’environnement) jouent un rôle crucial. Notre but est de déterminer les mécanismes du transport que ce soit de gaz, de liquides, de mucus, et de particules (de la bouche aux alvéoles) dans des géométries réalistes de voie aérienne, incluant notamment des géométries obstructives et dans diverses situations physiopathologiques. Au niveau distal des voies aériennes l’écoulement convectif est négligeable, et la défense de l’organe est essentiellement basée sur le système cellulaire, c.-à-d., les macrophages et leurs interactions avec les cellules épithéliales.

Ici notre but est de mieux comprendre l’interaction entre la fonction cellulaire et les trois types d’agression/stimulation (c’est-à-dire mécanique, inflammatoire ou virulente) que l’on peut rencontrer dans les voies aériennes. Nous postulons que la réponse de cette fonction cellulaire à cette agression/stimulation pourrait être à l’origine des insuffisances fonctionnelles observées à de plus grandes échelles. Notre équipe a développé ses outils biomécaniques très spécifiques de micro/nano-manipulation cellulaires (magnétocytométrie, magnétostimulation, plateforme de microscopie à force atomique), qui associés à modèles multi-échelles de la réponse cellulaire et tissulaire, permettent d’accéder à des caractéristiques cellulaires qui ne pourrait pas être révélées par les outils biologiques conventionnels.

Nous pouvons ainsi évaluer directement les paramètres liés à la rigidité du cytosquelette, à la tension intracellulaire, à la contraction liée à l‘actomyosine, à la cinétique des liens de récepteur-ligand, et aux sites d’adhésion cellulaires. Ces outils seront aussi utilisés pour comprendre les interactions entre l’écoulement et les parois des voies aériennes de conduction comme par exemple la mesure de la force générée par les cils et leur moteurs moléculaires.

L’approche biomécanique permise par l’association de la vidéo-microscopique numérique à haute vitesse, de la microscopie à force atomique (paramètres cinématiques du battement, paramètres du transport obtenus par suivi de microbilles, force développée), avec en parallèle le développement d’outils de modélisation, permet d’envisager de nouveaux traitements prenant en compte les aspects physiologiques, biologique et mécaniques du battement ciliaire et de ses conséquences physiopathologiques.

Mots clés:

biomécanique – biophysique – biomédical – cils – ventilation mécanique – troubles obstructifs – maladies ORL – voies aériennes – détresses respiratoires – épuration muco-ciliaire – modélisation

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