Experimental Modeling of Dynamical Systems - Applications in Systems Biology
Modélisation Expérimentale des Systèmes Dynamiques - Applications en Biologie Systémique
Résumé
Contributions presented in this document deal with the development of methods and tools for the experimental modeling of interconnected systems by modular representations. Contrary to black-box descriptions, the modular modeling approaches not only aim at describing the dynamical behavior of the whole system but also to depict its physical structure in terms of components and interactions. Problems associated with the experimental modeling of interconnected systems are multiple : mathematical formulation of modular representations, practical identifiability, parameter estimation and uncertainty description.
The proposed research project is concerned with the systems biology in engineering. It is focused on the experimental modeling of interconnected systems in biology and more precisely in cancerology. Two applications domains are developed : the experimental of photodynamic therapy and the identification of metabolic networks. Photodynamic therapy is an example of interconnected systems in which three system identification problems are investigated. The two final objectives are (i) to better control the reproducibility of the therapeutic outcomes and (ii) to mathematically characterize the efficacy of new photosensitizing agents. These two questions may be described as problems concerning parameter identifiability, parameter estimation and system control. Classical and modern methods of experiment design are proposed to solve these problems.
The proposed research project is concerned with the systems biology in engineering. It is focused on the experimental modeling of interconnected systems in biology and more precisely in cancerology. Two applications domains are developed : the experimental of photodynamic therapy and the identification of metabolic networks. Photodynamic therapy is an example of interconnected systems in which three system identification problems are investigated. The two final objectives are (i) to better control the reproducibility of the therapeutic outcomes and (ii) to mathematically characterize the efficacy of new photosensitizing agents. These two questions may be described as problems concerning parameter identifiability, parameter estimation and system control. Classical and modern methods of experiment design are proposed to solve these problems.
Les travaux présentés concernent le développement d'outils et de méthodes pour la modélisation expérimentale des systèmes dynamiques interconnectés par des représentations modulaires. Contrairement aux approches boîtes-noires, les approches modulaires ne visent pas seulement à décrire le comportement dynamique d'un système dans sa globalité mais aussi à représenter sa structure interne, c.-à-d. ses composants et leurs interactions. Le problème de la modélisation expérimentale des systèmes dynamiques interconnectés est multiple. Il concerne aussi bien la formalisation mathématique des représentations modulaires, leur identifiabilité pratique et l'estimation des paramètres et de leur incertitude.
Le projet de recherche présenté s'inscrit dans le cadre de l'Ingénierie en Biologie Systémique. Il est dans la continuité des travaux précédents et se focalise sur la modélisation expérimentale de systèmes dynamiques interconnectés en cancérologie. Ce projet concerne d'une part la modélisation de la thérapie photodynamique et d'autre part l'identification de réseaux métaboliques. La thérapie photodynamique peut être vue, à plusieurs niveaux, comme un ensemble de systèmes dynamiques interconnectés. Après une présentation des fondements de cette thérapie, trois problèmes de modélisation expérimentale appliqués à la thérapie photodynamique sont posés. Cette modélisation a pour but ultime de répondre à deux questions. La première concerne la maîtrise et la reproductibilité des réponses thérapeutiques et la seconde traite de la caractérisation de l'efficacité de nouveaux agents photosensibilisants. Les problèmes d'automatique associés à ces deux questions traitent d'identifiabilité, d'estimation de paramètres et de stratégie de commande. Les méthodes et outils de planification d'expériences sont proposés en perspective pour aborder tous ces problèmes sous un même angle.
Le projet de recherche présenté s'inscrit dans le cadre de l'Ingénierie en Biologie Systémique. Il est dans la continuité des travaux précédents et se focalise sur la modélisation expérimentale de systèmes dynamiques interconnectés en cancérologie. Ce projet concerne d'une part la modélisation de la thérapie photodynamique et d'autre part l'identification de réseaux métaboliques. La thérapie photodynamique peut être vue, à plusieurs niveaux, comme un ensemble de systèmes dynamiques interconnectés. Après une présentation des fondements de cette thérapie, trois problèmes de modélisation expérimentale appliqués à la thérapie photodynamique sont posés. Cette modélisation a pour but ultime de répondre à deux questions. La première concerne la maîtrise et la reproductibilité des réponses thérapeutiques et la seconde traite de la caractérisation de l'efficacité de nouveaux agents photosensibilisants. Les problèmes d'automatique associés à ces deux questions traitent d'identifiabilité, d'estimation de paramètres et de stratégie de commande. Les méthodes et outils de planification d'expériences sont proposés en perspective pour aborder tous ces problèmes sous un même angle.