Microcirculation

Principal investigators:
A. Viallat; A. Charrier; E. Helfer

La circulation efficace et durable des globules rouges dans le système vasculaire est un tour de force physique. Premièrement, les globules rouges ne forment jamais d'agrégats susceptibles d'obstruer les vaisseaux sanguins. Ensuite, les globules rouges combinent robustesse et grande déformabilité pour se faufiler dans les plus petits capillaires. Bien que l'évolution ait réussi à trouver les paramètres physiques appropriés pour assurer une bonne circulation vasculaire, nous sommes aujourd'hui incapables de prédire, de comprendre et de reproduire artificiellement les comportements individuels et collectifs des globules rouges dans le système vasculaire.
Nous nous attachons à apporter des éléments de réponse en étudiant

-le comportement individuel des globules rouges lors de leur passage dans les fentes submicroniques de la pulpe rouge de la rate et des précurseurs des globules rouges à la sortie des fentes de la moelle osseuse.

-le comportement individuel et collectif de globules rouges sous microécoulement.

Passage des globules rouges et leurs précurseurs dans les fentes submicroniques de la rate et de la moelle osseuse

Principal investigators:
A. Viallat; A. Charrier; E. Helfer

Postdocs:  F. Yaya

collaboration :Z. Peng, University of Illinois at Chicago, USA; P. Ji, Northwestern University, Chicago, USA, P. Buffet (Institut national de transfusion sanguine, Paris)

Au cours des différentes étapes de leur vie, les cellules sanguines sont amenées à traverser des fentes de largeurs submicroniques, telles que les fentes que les précurseurs des globules rouges traversent en sortant de la moelle osseuse pour entrer dans la microcirculation sanguine ou encore les globules rouges qui passent toutes les 20 minutes à travers les fentes interendothéliale de la pulpe rouge de la rate. Les mécanismes de passage et les paramètres de sélection des cellules dans ces fentes restent aujourd’hui mal connus. Le passage des globules rouges dans les fentes de la rate de la rate constitue le test d’aptitude physique le plus rigoureux de la circulation sanguine.

Développement d’un dispositif microfluidique contenant des fentes de largeurs submicroniques

Ce dispositif permet de reproduire le test d’aptitude physique et d’observer le comportement des globules rouges en vidéomicroscopie.

Mécanismes physiques de passage des globules rouges dans les fentes submicroniques

Malgré leur morphologie apparemment simple, les globules rouges (GR) sont très déformables, avec des propriétés rhéologiques bien ajustées permettant leur transport rapide, efficace et résilient dans la circulation sanguine. Une réduction de la déformabilité des GR est observée dans un certain nombre de maladies, telles que le diabète sucré, la drépanocytose ou le paludisme, et est considérée comme un déterminant majeur de l'altération de la microcirculation sanguine. Cette perte de déformabilité altère la capacité des GR à modifier leur forme générale pour passer à travers les plus petits capillaires de la microcirculation et les fentes interendothéliales de la rate où les GR passent le test d'aptitude physique le plus rigoureux de la circulation sanguine. Si ce test, qui est censé filtrer les GR en retenant les plus rigides, est connu pour jouer un rôle important dans de nombreuses maladies comme le paludisme ou la drépanocytose, les mécanismes qui régissent la dynamique des cellules à travers les fentes sont encore inconnus.

Mécanismes physiques de l'énucléation des érythroblastes

L'érythropoïèse est le processus de génération des globules rouges. Chez les mammifères, les globules rouges ne contiennent pas de noyau. Les érythroblastes, cellules précurseures des globules rouges, éliminent leur noyau à la sortie de la moelle osseuse pour rejoindre la circulation sanguine, où ils vont devenir des GRs. Le processus d'énucléation étant mal compris, cela limite la production in-vitro des globules rouges de culture, à des buts, par exemple, de transfusion sanguine. Nous voulons élucider le rôle des contraintes mécaniques externes exercées sur les érythroblastes à la sortie de la moelle osseuse, et celui des forces internes générées par des processus mécanosensibles, dans l'expulsion et le détachement du noyau. Pour cela nous développons un dispositif microfluidique qui imite l'environnement encombré de la moelle osseuse et permet l’observation des étapes d'énucléation. Nous collaborons avec un modélisateur numéricien spécialiste des globules rouges sous écoulement et un biologiste-médecin spécialiste de l’érythropoïèse.

Filtration splénique et marqueur de l'hyposplénisme.

Nous nous intéressons au rôle de la filtration splénique par les fentes interendothéliales de la rate dans l’élimination des globules rouges les plus rigides ou comportant des corps rigides tels que (vacuoles, corps de Howell-Jolly, parasites). Nous développons un marqueur de l’hyposplénisme.

Filtration splénique de globules rouges de culture pour la transfusion sanguine

Les taux de rétention mesurés 1 jour et 8 jours après purification des globules rouges de culture étaient similaires et inférieurs à 10%, comme pour des globules collectés dans du sang sain. Plusieurs globules rouges de culture encore nucléés ont été capables de traverser les fentes, montrant ainsi que les noyaux des érythroblastes sont hautement déformables.

Dynamique individuelle et collective de globules rouges sous microécoulement

Principal investigators:
A. Viallat; A. Charrier; E. Helfer; E. Loiseau

Postdocs:  M. Poulain-Zarcos,
Ingénieure: C. Jebane

Collaborations: Catherine Badens, (APHM), Sophie Giffart-Roisin, Vincent Cohen-Addad, E. Franceschini, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA), Marseille ; S. Mendez IMAG, Montpellier
Le comportement des globules rouges sous écoulement, à savoir, son mode de déplacement, son interaction avec les autres globules rouges et/ou parois, est régit par les règles de l’hydrodynamique et les interactions fluides/structures. Nous nous intéressons ici à la dynamique de GRs individuels sous cisaillement et de suspensions de GRs en environnement confiné. Plus spécifiquement nous étudions :

la dynamique de globules rouges individuels sous écoulement à faible taux de cisaillement.

Des travaux antérieurs ont montré que des globules rouges sains en mouvement sous flux de cisaillement passent d’un régime chaotique de bascule, comme un solide, à un régime stable de goutte fluide, appelé tank-treading (TT : le globule rouge se déplace avec une inclinaison constante, mais la membrane « roule » autour du globule rouge) quand on augmente le taux de cisaillement. La transition bascule-TT est liée à la déformabilité des globules rouges. Nous avons étudié le comportement de globules rouges sains et de globules rouges drépanocytaires sous écoulement. Nous avons montré que l’évolution du mouvement de bascule dépend non pas de la maladie mais de la densité des globules rouges, alors que la transition vers le comportement de goutte répond à la fois à la densité et au trait drépanocytaire. Nous avons corrélé ces différences de comportement aux altérations des propriétés mécaniques par la maladie ou la densité. Grâce à cette étude nous avons mis au point un marqueur mécanique de la déformabilité des globules rouges permettant le suivi clinique de patients atteints de drépanocytose. Nous avons pour objectif la valorisation de ce marqueur par le développement d’un appareil d’analyse médicale et la création de la future start-up ICOVELL.

L’organisation de globules rouges sous écoulement confiné

Les émulsions/suspensions sont largement utilisées dans de nombreux domaines, fondamentaux et appliqués. La description de la structuration de ces émulsions sous flux est incomplète, notamment par manque de confrontation avec des données expérimentales dû à la carence en particules déformables contrôlées. Nous avons abordé ce problème purement physique en utilisant les globules rouges comme des particules déformables modèles et avons étudié leur comportement sous flux confiné 2D. En combinant nos expériences de microfluidique avec des simulations numériques nous avons montré l’effet du confinement latéral et le rôle crucial de la déformabilité.

la microstructuration de suspensions de globules rouges sous écoulement.

La déformabilité des globules rouges impacte la rhéologie du sang. Chez les patients drépanocytaires, la déformabilité réduite altère les flux sanguins macro- et micro-circulatoires. Le lien entre la déformabilité des globules rouges à l’échelle microscopique, la microstructure de la suspension de globules rouges et la rhéologie du sang à l’échelle macroscopique n’est pas résolu, en raison du manque de techniques expérimentales pour accéder à la microstructure des suspensions opaques de globules rouges. Nous développons un système expérimental couplant une technique de rétrodiffusion ultrasonore quantitative (QUS) à la microfluidique pour sonder la microstructure de suspensions concentrées de globules rouges sous flux. En couplant les expériences à des simulations numériques nous allons déterminer le rôle des propriétés des globules rouges sur la microstructuration et sur la rhéologie des suspensions cisaillées en configurations confinée/non confinée. L’application à long terme est de détecter de façon non-invasive l’apparition d’agrégats de globules rouges dans la circulation chez les patients drépanocytaires.

Adaptation mécanique des monocytes dans des réseaux capillaires pulmonaires modèles

responsables scientifique : A. Viallat; E. Helfer
Une circulation correcte des globules blancs (WBC) dans le lit vasculaire pulmonaire est cruciale pour une réponse immunitaire efficace. Dans ce réseau vasculaire ramifié, les WBCs doivent se déformer fortement pour passer à travers les capillaires et les bifurcations les plus étroites. Bien qu'il soit connu que ce processus dépende des propriétés mécaniques des cellules, il est encore mal compris en raison de l'absence d'un modèle complet de la mécanique cellulaire et d'expériences physiologiquement pertinentes. Ici, en utilisant un dispositif microfluidique interne imitant le lit capillaire pulmonaire, nous montrons que la dynamique des monocytes THP1 évolue le long de canaux successifs de type capillaire, d'un mouvement lent non stationnaire avec des sauts à un mouvement rapide et lisse efficace. Nous avons utilisé des médicaments du cytosquelette d'actine pour modifier la dynamique du trafic. Ceci nous a conduit à proposer un modèle mécanique simple qui montre qu'une tension corticale très finement ajustée combinée à une viscosité cellulaire élevée gouverne le transit rapide à travers le réseau tout en préservant l'intégrité cellulaire. Nous mettons enfin en évidence que la tension corticale contrôle la vitesse de la cellule en régime permanent via la friction visqueuse entre la cellule et les parois du canal.

Phénomène de margination

responsables scientifique : M. Léonetti;
Post-doc : Mehdi Abbasi
Collaboration: M. Jaeger, Centrale Marseille
Funding: Centuri

En microcirculation sanguine, les globules rouges (RBC) ont tendance à occuper le centre du vaisseau tandis que les globules blancs (WBC) et plaquettes (Pt) sont principalement localisés à la périphérie. Ce phénomène n’est pas observé en absence d’écoulement in vitro. Plusieurs scenarii ont émergé récemment dans la littérature. Soit le modèle implique la viscoélasticité potentielle du plasma, soit le modèle joue sur la modulation des interactions hydrodynamiques entre cellules et cellule-paroi : effet de taille, de forme et de rigidité. Notre projet vise à distinguer les mécanismes physiques en jeu dans des conditions physiologiques à l’échelle du vaisseau et du réseau par l’observation in vitro de suspensions de RBC-WBC d’une part et de RBC-Pt d’autre part.
Récemment, dans le cadre de la thèse de R. Chachanidze, nous avons montré expérimentalement que la différence de rigidité entre deux populations de globules rouges sains et rigidifiés mènent à la margination, i.e. une ségrégation sous écoulement : collaboration avec C. Wagner, Universitaet des Saarlandes, Germany.