Le couplage hydrodynamique mucus-cils actif entraîne l’auto-organisation de l’épithélium bronchique humain

Dans nos poumons, des milliards de cils tapissent les parois et battent de manière organisée pour évacuer le mucus de nos bronches, depuis le premier jour de notre vie. Ce mécanisme prend le nom de transport mucociliaire. Avec nos collaborateurs, nous avons mis en commun nos compétences en physique expérimentale, mécanique des fluides, biologie du développement et pneumologie pour en percer les secrets.

Nous comprenons maintenant mieux  la capacité unique qu’ont ces millions de cils à organiser collectivement leurs directions de battement dans le but commun de propulser le mucus sur de longues distances.

Nos travaux pourraient se révéler déterminants dans la recherche d’un traitement contre les maladies respiratoires chroniques (asthme sévère ou broncho-pneumopathies chroniques obstructives) qui affectent des centaines de millions de personnes.

Nous avons établi que ce sont les interactions biophysiques entre d’une part les cils battant à l’échelle microscopique, et d’autre part le déplacement du mucus à l’échelle centimétrique qui gouvernent l’orientation dynamique des battements de cils. Nous montrons que les battements ciliaires s’alignent en présence de mucus et se désalignent quand le mucus est retiré et révélons, grâce à la modélisation, que la force de l’écoulement exercée par le mucus sur les cils aligne leur direction de battement, permettant ainsi de transporter efficacement le mucus le long des bronches et de la trachée. Pour montrer cela, nous avons reconstitué in-vitro un épithélium bronchique, constitué des cellules ciliées et des cellules produisant du mucus, à partir de cellules humaines prélevées par bronchoscopie, permettant de mesurer à la fois le transport du mucus et les battements ciliaires.

Nous avons développé un modèle de mécanique des fluides numérique permettant de capturer et de prédire le couplage entre l’organisation spatiale des cils vibratiles et l’hydrodynamique du mucus exhibant différents régimes organisationnels d’écoulement. Nous avons caractérisé biologiquement la polarisation planaire des cellules ciliées permettant de constituer de véritables cartes d’orientation des cils sur l’ensemble du tissu.

Réf. : Nature Physics, Nature Publishing Group, 2020, (10.1038/s41567-020-0980-z) (hal-02914172)