Soutenance de thèse de Sylvain CHATEAU

La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliers d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, du fait que les observations expérimentales sont extrêmement difficiles à réaliser, les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons la simulation numérique afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes. Dans un premier temps, nous considérons des tapis de cils battant initialement dans des étapes aléatoires de leur battement. Nous observons qu'une rétroaction purement hydrodynamique de la part des fluides sur les cils permets la synchronisation de ces derniers, et amène soit à l'émergence d'ondes métachronales antiplectiques, symplectiques, ou bien synchrones. Dans un second temps, nous analysons les capacités de transport et de mélange de ces trois types d'ondes. Les ondes antiplectiques se révèlent être les meilleures à transporter et mélanger les fluides, et les plus avantageuses d'un point de vue énergétique. Pour les trois types de coordination ciliaire, le mélange est chaotique. Il est puissant près de la région ciliée, et faible dans les régions éloignées. Dans un troisième temps, nous expliquons la meilleure efficacité des ondes antiplectiques sur les ondes synchrones et symplectiques par un phénomène d'aspiration-soufflage qui se produit au niveau de l'interface entre le mucus et le fluide périciliaire. Ce mécanisme permet à la pointe des cils battant en organisation antiplectique de pénétrer plus profondément dans le mucus durant la phase de poussée, et d'en être plus éloignés lors de la phase de récupération. La compétition entre ce phénomène, et l'effet de lubrification du mucus grâce au fluide périciliaire, est aussi étudiée aux travers de différents paramètres. Enfin, dans un dernier temps, les effets de l'asymétrie temporelle dans le battement des cils sont étudiés. Nous trouvons qu'une phase de poussée occupant environ 30 % de la période de battement, tel ce qui est observé dans la nature, correspond à un optimum énergétique dans le cas des ondes antiplectiques.

The mucociliary clearance is a physico-chemical process whose aim is to transport and eliminate bronchial mucus. To achieve this, thousands of microsized appendices, called cilia, cover the respiratory tracts. The cilia propel the mucus by following a periodical pattern, which includes a stroke phase where the cilia tip can enter the mucus layer, and a recovery phase where the cilia are completely immersed in the periciliary liquid. A dysfunction of this process can cause several health problems. It has been observed that cilia do not beat randomly, but instead synchronise their beatings accordingly to their neighbours, which results in the so-called metachronal waves. However, since experimental observations are extremely difficult to perform, the properties of these waves remain poorly understood. In this thesis, we use the numerical simulation in order to reproduce a bronchial epithelium and study the emergence, as well as the transport and mixing capacities, of these waves. In a first time, we consider carpets of randomly beating cilia. We observe that a purely hydrodynamical feedback from the fluids onto the cilia leads to ciliary synchronization, forming either antiplectic, symplectic, or synchronous waves. In a second time, we analyse the transport and mixing capacities of these three waves. The antiplectic waves are found to be the best for displacing and mixing fluids, and the more efficient from an energetic perspective. For the three kind of ciliary coordination, the mixing is found to be chaotic. It is strong near the ciliated area, and weak in the regions far away. In a third time, we explain the better efficiency of the antiplectic metachronal waves over the synchronous and symplectic ones by a blowing-suction mecanism which occur at the interface between the mucus and the periciliary liquid. This mecanism allows the tips of the cilia beating in an antiplectic manner to better enter the mucus phase during the stroke phase, and to be more immersed in the periciliary liquid during the recovery phase. The competition between this phenomenon, and the lubrification of the mucus due to the periciliary layer, is also studied by varying several parameters. Last, the effects of the temporal asymetry present in the beating pattern of the cilia are studied. We find that a stroke phase which last 30 $%$ of the total beating period, as observed in nature, leads to an energetical optimum in the case of antiplectic metachrony.