3D modeling and simulation of morphogenesis

Modélisation et simulation 3D de la morphogenèse

Athanasios Lontos (1)

1 TIMC-IMAG - Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble - UMR 5525

The embryo of the Drosophila Melanogaster undergoes a series of cell movements during its early development. Gastrulation is the process describing the segregation of the future internal tissues into the interior of the developing embryo. Gastrulation starts with the formation of the ventral furrow, a process commonly known as the ventral furrow invagination. During this process, the most ventrally located blastoderm cells flatten and progressively constrict their apical sides until they are wedge shaped. As a result of these cell-shape changes, the blastoderm epithelium first forms an indentation, the ventral furrow, which is then completely internalized. We focus on the study of the mechanisms that drive the invagination. The main questions that gave birth to this thesis are: “What is the role of the apical constriction of the ventral cells in the invagination?” and “Once the ventral cells are internalized, what is the mechanism that drives the ventral closure?” We attempt to answer to these two questions from a biomechanical point of view. For this purpose, a 3D mesh of the embryo of the Drosophila Melanogaster has been created. Based on this mesh, two “a minima” biomechanical models of the Drosophila embryo have been created, a physically based discrete model and a model based on the Finite Element Method. The results of the simulations in both models show that the geometry of the embryo plays a crucial role in the internalization of the ventral cells. The two models efficiently simulate the internalization of the ventral cells but are incapable of reproducing the ventral closure. We hypothesize that the ventral closure can be explained by the interplay of forces developed in the embryo once the internalized ventral cells undergo cell division. We propose an approach to divide elements in a Finite Element Mesh and we integrate it to the Finite Element Model of the Drosophila Melanogaster.

L'embryon de la Drosophila Melanogaster subit une série des mouvements cellulaires pendant son développement. La gastrulation est le processus qui décrit la différentiation des futurs tissus à l'intérieur de l'embryon. La gastrulation commence par la formation du sillon ventral, un processus connu sous le nom de “Ventral Furrow Invagination”. Pendant ce processus, les cellules de la blastoderme positionnées dans la région ventrale de l'embryon, aplatissent et contractent leur surface apicale jusqu'à ce qu'elles deviennent prismatiques. Ce changement de forme cellulaire aboutit à un enfoncement au niveau de la région ventrale, le sillon ventral, qui est ensuite totalement intériorisé. Nous focalisons notre étude sur les mécanismes qui conduisent à l'invagination. Les questions principales auxquelles ce travail de thèse essaie de répondre sont: “Quel est le rôle de la contraction apicale des cellules ventrales dans l'invagination?” et “Quel est le mécanisme qui conduit à la clôture ventrale, une fois les cellules ventrales intériorisées?”. Nous essayons de répondre à ces questions d'un point de vue biomécanique. Dans ce but, un maillage 3D de l'embryon de la Drosophila Melanogaster a été créé. Basés sur ce maillage, deux modèles biomécaniques “a minima” de l'embryon de la Drosophila ont été créés: un modèle physique discret et un modèle basé sur la Méthode des Eléments Finis. Les résultats des simulations des deux modèles montrent que la géométrie joue un rôle décisif dans l'intériorisation des cellules ventrales. Les deux modèles ont permis de simuler l'intériorisation des cellules ventrales mais se trouvent incapables de simuler la clôture ventrale. Notre hypothèse est que la clôture ventrale peut s'expliquer par l'intéraction des forces développées à l'intérieur de l'embryon, une fois que les cellules ventrales commencent à proliférer. Nous proposons une méthode pour diviser des éléments dans un maillage d'éléments finis et ensuite nous expliquons l'intégration de cette méthode dans le modèle des Eléments Finis pour l'embryon de la Drosophila Melanogaster.

Mots clés: Modeling; Simulation; Morphogenesis; Embryogenesis; Biomechanics

Mots clés: Modélisation; Simulation; Morphogenèse; Embryogenèse; Biomécanique

Domaines: Médecine humaine et pathologie

Athanasios Lontos. 3D modeling and simulation of morphogenesis. Human health and pathology. Université de Grenoble, 2013. English. ⟨NNT : 2013GRENM064⟩. ⟨tel-01168475⟩