Des séquences vidéo à haute vitesse résolvent l'un des grands mystères de la circulation sanguine humaine

Les globules rouges sont des disques souples biconcaves qui passent leur vie en suspension dans le plasma sanguin. Ils sont de loin le plus grand composant du sang ordinaire et jouent par conséquent un rôle extrêmement important dans la façon dont il circule dans le corps.

Dans des conditions ordinaires, les globules rouges s'empilent pour former des structures appelées rouleaux comme des paquets de pièces cylindriques. Celles-ci se forment et se désagrègent constamment, mais elles peuvent aussi s'emmêler. Lorsque cela se produit, le sang devient plus épais et finit par coaguler.

Mais il est facile d'imaginer que ces structures de rouleaux peuvent causer des problèmes à mesure que les vaisseaux sanguins deviennent plus petits - les plus petits vaisseaux étant un peu plus gros que les globules rouges eux-mêmes.

Mais les hématologues savent depuis longtemps que cela n'arrive pas. Il s'avère que le sang a une propriété unique qui empêche ce type de grognement : il devient plus mince et plus liquide lorsqu'il passe par des canaux plus petits. La raison pour laquelle cela se produit est quelque chose de mystérieux.

Mais aujourd'hui, Manouk Abkarian et à l'Université de Montpellier en France et quelques copains disent qu'ils ont compris ce qui se passe. Ces gars-là ont utilisé des caméras vidéo à haute vitesse pour enregistrer le comportement des globules rouges dans les mêmes conditions que les cellules connaissent dans le corps humain. Et ils disent que leurs résultats renversent la pensée conventionnelle sur le rôle des globules rouges dans le sang.

Tout d'abord un peu de contexte. La propriété qui fluidifie le sang lorsqu'il circule dans des vaisseaux plus petits est connue sous le nom de fluidification par cisaillement. Cela se produit lorsque les forces d'une partie d'un liquide diffèrent de celles d'une autre, provoquant une contrainte de cisaillement. Les physiciens appellent les liquides qui se comportent comme cela des fluides non newtoniens.

Les contraintes de cisaillement se produisent naturellement dans l'écoulement à travers n'importe quel navire. C'est parce que le fluide le plus proche de la surface du vaisseau se déplace plus lentement que le fluide au milieu et cela crée une contrainte de cisaillement. Mais comment la contrainte de cisaillement rend-elle le sang plus coulant ?

Une partie du puzzle est que les biologistes savent depuis longtemps que le plasma sanguin est un fluide newtonien - sa viscosité n'est pas affectée par la contrainte de cisaillement. Ainsi, tout comportement non newtonien doit être causé par les globules rouges, qui sont en suspension dans le plasma sanguin et constituent jusqu'à 45 % du sang.

Dans les années 1970, les hématologues ont commencé à étudier le comportement de ces cellules en suspension dans des solutions aqueuses de polysaccharides dextran, censées imiter les conditions de l'organisme. Ils ont découvert que les globules rouges se retournent comme des pièces de monnaie lorsque la contrainte de cisaillement est faible. Mais à mesure que la contrainte de cisaillement augmente, les cellules s'orientent avec le flux et deviennent stables. En effet, les cellules s'allongent dans le sens de l'écoulement en formant des ellipsoïdes aplatis.

Cela a conduit à une théorie influente du flux sanguin. Cette théorie suggérait que dans ces circonstances, les globules rouges se comportaient comme des gouttelettes de liquide. En d'autres termes, le sang se comporte comme une émulsion.

Mais une cellule ne peut se comporter comme une gouttelette que si sa membrane se comporte également comme un fluide. Et cela a des conséquences importantes.

Lorsque les cellules forment des ellipsoïdes aplatis, les forces de cisaillement les font tourner. Le cytoplasme à l'intérieur de la cellule est plus visqueux que le fluide à l'extérieur, de sorte que la membrane doit tourner plus rapidement que le cytoplasme à l'intérieur. Vu de côté, cela ressemblerait au mouvement d'une chenille de char.

Le soi-disant tank-treading est devenu un phénomène apparemment bien connu pour les globules rouges se déplaçant à l'intérieur de petits vaisseaux sanguins.

Mais Abkarian et co disent maintenant que cette théorie du comportement des globules rouges est fausse. Pour commencer, ils soulignent que les premières solutions de polysaccharides dextran ne reproduisaient pas avec précision les conditions dans le corps. Ils disent aussi que les membranes des globules rouges ne peuvent pas se comporter comme un liquide et qu'il est donc impossible de marcher sur les chars.

Au lieu de cela, ils utilisent des caméras vidéo à grande vitesse pour enregistrer le comportement des globules rouges dans des microcanaux à température corporelle dans des solutions de dextrane qui imitent la viscosité, l'osmolarité et le pH du sang. Ils ont ensuite fait varier la contrainte de cisaillement subie par les globules rouges en contrôlant le débit.

Les résultats rendent la lecture intéressante. Abkarian et co disent que la viscosité du sang subit une série de transformations remarquables à mesure que les contraintes de cisaillement augmentent et que celles-ci sont le résultat de changements complexes dans le comportement des globules rouges.

Au début, les globules rouges tombent comme des pièces de monnaie dans le sang. Mais à mesure que les contraintes de cisaillement augmentent, ce culbutage se transforme en un mouvement de roulement. Les cellules semblent rouler sur le côté, comme des pneus qui s'emballent. Et à mesure que la proportion de cellules qui font cela augmente, la viscosité du fluide diminue.

Mais le roulement est très différent du foulage de réservoir, qui nécessite que la membrane agisse comme un fluide. En effet, Abkarian et co affirment que la principale caractéristique du comportement est que les membranes des globules rouges n'agissent pas comme des fluides.

Au fur et à mesure que les contraintes de cisaillement augmentent, les cellules commencent à s'écraser, ce qui présente une plus petite surface à l'écoulement. Cela conduit à un cisaillement supplémentaire, disent Abkarian et co.

Et à mesure que la contrainte de cisaillement augmente encore, les globules rouges se déforment et développent trois ou six lobes. On ne sait pas exactement comment cela se produit, mais cela contribue à l'amincissement par cisaillement en permettant aux cellules de se replier et ainsi de réduire encore plus leur surface.

L'équipe a étayé ses observations en créant un modèle informatique des cellules, qui reproduit ce comportement lorsque les mêmes contraintes de cisaillement sont appliquées.

C'est un résultat intéressant. Cela signifie que la théorie des gouttelettes liquides des globules rouges est erronée et que le sang ne se comporte pas comme une émulsion. En effet, le comportement observé n'est possible que si la membrane des globules rouges ne se fluidifie pas et sépare ainsi plus efficacement le plasma du cytoplasme à l'intérieur de la cellule. Le manque de fluidité membranaire pour un contraste de viscosité élevé entre les fluides internes et externes est la caractéristique clé qui contrôle le comportement des globules rouges, disent Abkarian et co.

La nouvelle pensée a des implications importantes. Les hématologues ont utilisé l'idée du sang comme une émulsion pour expliquer divers phénomènes physiologiques. Par exemple, le piétinement des réservoirs est un élément clé d'une théorie qui explique comment les globules rouges libèrent de l'ATP. Notre étude remet en question la pertinence d'une analogie en forme de gouttelette pour la dynamique des globules rouges pour expliquer ces phénomènes, disent les chercheurs.

Les fluides vivants comme le sang sont extrêmement importants. Ainsi, une meilleure compréhension de leur comportement aidera inévitablement les chercheurs à le gérer plus efficacement. Il sera intéressant de voir comment le renversement de cette pensée conventionnelle aura un impact sur ce domaine.

Réf : arxiv.org/abs/1608.03730 : Un nouveau regard sur la fluidification du sang par cisaillement

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