MesoCardio

Modélisation de la contraction cardiaque à la méso-échelle

^{_{Vue en coupe de myofibrilles en parallèle © Huxley, H. E. The Double array of filaments in cross-striated muscle. J Biophys Biochem Cytol 3, 631–648 (1957) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2224118/ .}}

Axe Vivant

Mathématiques
∩ Médecine

Aperçu

Développer des modèles mathématiques du tissu cardiaque tenant compte des phénomènes physiques et physiologiques opérant à l’échelle mésoscopique, en s’appuyant sur la modélisation multi-échelle déterministe et stochastique.

Mots clefs

Contraction cardiaque, moteurs moléculaires, modélisation multi-échelle, système stochastique en champ moyen, coarse-graining, homogénéisation, mécanique des milieux continus.

Coordination

Julien Reygner (Mathématiques, CERMICS, École nationale des ponts et chaussées)
Matthieu Caruel (Biomécanique, MSME, UMR 8208, Université Paris-Est Créteil)

Financement

594 k€ sur 57 mois (Projet scientifique lauréat de l’appel à projets 2024)

Résumé

Le projet scientifique MesoCardio met en place un consortium interdisciplinaire pour développer des modèles de la contraction cardiaque à l’échelle mésoscopique permettant de simuler les mécanismes physiologiques de sa régulation. Le programme de travail englobe la modélisation en mécanique statistique, l’analyse mathématique des systèmes stochastiques, la mécanique des milieux continus non linéaire et l’homogénéisation, le développement de méthodes numériques innovantes, ainsi que des expériences in situ.

La contraction musculaire est générée par des protéines nanométriques appelées moteurs moléculaires, assemblées en unités contractiles. À l’échelle mésoscopique, ces unités forment un réseau régulier soutenu par des protéines cytosquelettiques élastiques (titin, M-line, Z-line). Ce réseau contractile est le principal constituant des fibres musculaires à l’échelle macroscopique.

Actuellement, la plupart des modèles mécaniques des tissus musculaires ne prennent pas en compte l’échelle mésoscopique, et couplent directement des modèles de type »champ moyen » de moteurs moléculaires à échelle nanométrique aux lois de conservation de la mécanique des milieux continus à l’échelle macroscopique. Cette approche est insuffisante pour modéliser des systèmes avec un faible nombre de moteurs (fluctuations), et pour comprendre le rôle fondamental joué par certaines protéines cytosquelettiques dans la régulation de la contraction (rétroaction mécanique) et dans la préservation de l’intégrité mécanique des fibres (homogénéisation).

Ce projet vise à développer des modèles mathématiques capables de décrire ces phénomènes opérant à l’échelle mésoscopique.

Principaux défis

Outils mathématiques et données

Impacts sociétaux et environnementaux

*Vue en coupe de myofibrilles en parallèle*
*_{© Huxley, H. E. The Double array of filaments in cross-striated muscle. J Biophys Biochem Cytol 3, 631–648 (1957). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2224118/}*

*Schéma d’une unité contractile regroupant un nombre N finis de moteur*
*_{© M. Caruel}*

*Représentation de l’architecture d’un myofibrille au sein de laquelle les unités contractiles de moteurs moléculaires interagissent pour contracter le tissus musculaire*
*_{© M. Caruel. Image publiée dans https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/aa7b9e}*

Plus de projets

IMOCEP

Mathématiques ∩ Médecine _________________________________________ Innover en modélisation de la croissance, de la cellule au développement pédiatrique.

DyLT

Mathématiques ∩ Médecine et Biologie _________________________________________ Etudier la dynamique des longueurs des télomères et le rôle des facteurs génétiques et environnementaux sur les aspects biologiques et cliniques du vieillissement.