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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 29, Numéro 5, Mai 2013
Page(s) 468 - 470
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2013295008
Publié en ligne 28 mai 2013

Le sang est le fluide vital qui circule dans notre corps. Ce fluide est chargé de transporter l’oxygène, divers composants et nutriments, ainsi que d’éliminer le dioxyde de carbone dans les organes. Ce fluide n’est pas un simple liquide, mais une suspension très concentrée en cellules. Ainsi, 45 % de notre volume sanguin sont composés de globules rouges (GR). Cette composition donne au sang des propriétés d’écoulement, appelées propriétés rhéologiques, très complexes. En effet, l’orientation individuelle des cellules, leur interaction avec la paroi vasculaire et leur forme à chaque instant sont autant de facteurs qui influencent la fluidité du sang et, in fine, sa capacité à bien irriguer les tissus de l’organisme. À l’échelle de la cellule, la rhéologie du sang dépend de la réponse des globules rouges à l’action des contraintes hydrodynamiques et, notamment, de leur déformation et de leur orientation dans le flux sanguin. Par exemple, lorsque la vitesse de cisaillement de l’écoulement est faible, les globules rouges ont tendance à s’empiler en rouleaux comme des piles d’assiettes. Cela entraîne une augmentation de la viscosité du sang. Lorsque la vitesse de cisaillement augmente, ils se séparent les uns des autres, s’alignent et s’étirent dans l’écoulement ; la viscosité du sang est plus basse. Le comportement microscopique des globules rouges a donc un impact direct sur les propriétés macroscopiques du sang.

Les globules rouges sont des objets viscoélastiques

Les globules rouges sont des cellules de composition très simple par rapport aux autres cellules du corps humain : pas de noyau, une membrane externe lipidique à laquelle est ancré un cytosquelette de spectrine, le tout encapsulant une solution concentrée d’hémoglobine. Quelles sont alors les propriétés rhéologiques intrinsèques des globules rouges qui gouvernent leur déformation et leur orientation dans un flux ? Elles résultent des contributions viscoélastiques individuelles des composants de la cellule : la membrane et la solution interne sont visqueuses, le cytosquelette est élastique et forme l’armature de la cellule. De plus, la forme de discocyte du globule rouge lui permet de se déformer en gardant constants sa surface et son volume.

Ces propriétés rhéologiques cellulaires peuvent se dégrader en cas, par exemple, de perturbations systémiques locales de l’homéostasie (diabète, hypertension) [1], et ainsi altérer la circulation sanguine. Il est donc important de pouvoir caractériser les propriétés rhéologiques des globules rouges et de comprendre quels types de mouvement cellulaire elles induisent sous écoulement.

Comportement du globule rouge dans un écoulement : d’un mouvement de solide à celui d’une goutte liquide

Les expériences que nous menons couplent deux techniques de vidéomicroscopie afin d’obtenir des images multidirectionnelles des globules rouges. Nous décrivons les mouvements des globules rouges dans un écoulement de cisaillement simple, obtenu en faisant s’écouler un fluide le long d’une paroi plane immobile. Nous varions et contrôlons le taux de cisaillement, c’est-à-dire la force de l’écoulement, en ajustant le débit du fluide et nous cherchons à comprendre l’origine rhéologique des mouvements observés.

Le contraste de viscosité λ, rapport entre la viscosité de la cellule et la viscosité de la solution externe, fut pendant longtemps le seul paramètre utilisé pour décrire le comportement des globules rouges sous écoulement [2]. Pour une grande valeur de λ, les globules rouges culbutent [3] : comme le mouvement des culbutos ou les flips d’un gymnaste, ils basculent avec un mouvement de rotation solide autour de leur centre de gravité en gardant leur axe de symétrie dans un même plan perpendiculaire à la paroi. Pour une faible valeur de λ et un grand débit, les globules rouges ont un mouvement de chenille de char [4] : ils gardent une orientation fixe et c’est alors la membrane qui tourne autour du cytoplasme, dans un mouvement similaire à celui d’une goutte liquide. Dans les années 2000, nous avons révélé un nouveau mouvement de balancement de la cellule dans l’écoulement pendant le mouvement de chenille de char, spécifiquement dû à l’élasticité du globule rouge. Nous avons montré qu’en diminuant le débit, le globule rouge passait de la chenille de char à la culbute via un mouvement intermittent, alternant culbutes et chenilles de char [5]. Nous avons aussi montré que le mouvement des globules rouges est parfois chaotique (c’est-à-dire non prévisible) dans un écoulement qui dépend périodiquement du temps [6].

Du culbuto au gyroscope et à la roue : le mouvement du globule rouge est une signature de l’élasticité de son cytosquelette

Dans un article que nous venons de publier [7], nous mettons en évidence que la dynamique des globules rouges est bien plus complexe qu’il n’y paraît. Nous montrons tout d’abord que l’orientation d’un globule rouge qui bascule dans l’écoulement près d’une paroi varie lorsque le débit change. À faible débit, le globule rouge culbute. Pour un débit suffisamment fort, la cellule se positionne parallèlement au plan de cisaillement pour rouler près de la paroi comme la roue d’un vélo. Entre la culbute et le roulement, l’axe du globule rouge a spontanément tourné de 90°. Plus précisément, à chaque débit correspond, pour un globule rouge sain, une orientation particulière qui est associée à un mouvement de précession1 de l’axe de symétrie du globule un peu à la manière, mais en plus complexe, d’un gyroscope (Figure 1). En comparaison, les globules rouges rigidifiés à l’aide d’une drogue conservent leur mouvement de culbute quel que soit le débit appliqué. L’orientation du globule dans l’écoulement est une véritable signature du module élastique de la cellule. Nous pensons, de plus, que l’apparition du roulement permet d’éviter des déformations cellulaires coûteuses d’un point de vue énergétique.

thumbnail Figure 1.

Illustrations des différents mouvements d’un globule rouge placé dans un écoulement de cisaillement. Les photographies sont des exemples de cellules filmées au microscope. Les points verts représentent la position d’une bille collée sur la membrane des cellules. A. Mouvement de culbute. La cellule a été filmée par dessus. B. Mouvement de chenille de char. La cellule a été filmée par dessus. C. Mouvement de frisbee. La cellule a été filmée par dessus. D. Mouvement de roue. La cellule a été filmée par le côté.

Nous avons ensuite étudié la transition entre chenille de char et culbute ou roulement, induite par la variation du débit au-delà d’un certain seuil. Cette transition présente une hystérésis : elle ne se produit pas à la même valeur si l’on diminue ou augmente le débit. En diminuant le débit, le mouvement du globule rouge passe de la chenille de char à la bascule par un régime intermittent évoqué plus haut. Ce mouvement évolue finalement en bascule. Au contraire, lorsque le débit augmente, le globule rouge roule et son mouvement transite en moins d’une minute vers la chenille de char. Pour la première fois, nous avons observé les globules rouges se redresser progressivement spontanément et se positionner dans un plan parallèle à la paroi en tournant sur eux même à la manière d’un frisbee. Après quelques secondes, leurs membranes passent soudain du mouvement solide de frisbee à un mouvement liquide de chenille de char. La membrane se « fluidifie » alors, sans que la forme et l’orientation du globule rouge ne soient modifiées. Parfois, cependant, des parties de la membrane tournent en masse, comme si cette dernière n’était encore que partiellement fluide. Les globules rouges prennent dans ce cas une forme knizocyte2, observée chez les nouveau-nés [8] ou chez des patients atteints de déficit en lécithine-cholestérol acyltransférase, et attribuée à une altération de la fluidité de la membrane [9]. Lorsque le débit augmente encore, cette déformation disparaît et la cellule retrouve sa forme de disque biconcave.

Conclusion

Il est remarquable et surprenant que les globules rouges ne se déforment quasiment pas pendant ces mouvements, contrairement aux prédictions des numériciens [10]. Une explication est à chercher dans la forme que la membrane aurait en l’absence de toute contrainte externe et qui pourrait être très proche d’une sphère [11]. La membrane, qui ne peut atteindre cette forme qui est incompatible avec le rapport volume/surface d’un globule rouge sain, serait condamnée à la forme biconcave, forme de plus basse énergie accessible.

Cette stabilité de forme est un atout pour les applications potentielles de notre travail comme outil de diagnostic à l’échelle cellulaire en hémorhéologie clinique. Elle valide un modèle simple que nous avons développé [5] et qui permet de déduire quantitativement et simultanément les valeurs des modules élastiques du cytosquelette et de la viscosité d’un globule rouge à partir de l’observation de son mouvement sous écoulement.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.


1

Mouvement de rotation autour d’un axe fixe.

2

Globule rouge avec plus de deux concavités (triconcave). Un globule rouge sain est biconcave.

Références

  1. Baskurt OK, Meiselman HJ. Blood rheology and hemodynamics. Semin Thromb Hemost 2003 ; 29 : 435–450. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  2. Keller SR, Skalak R. Motion of a tank-treading ellipsoidal particle in a shear flow. J Fluid Mech 1982 ; 120 : 27–47. [CrossRef] [Google Scholar]
  3. Goldsmith HL, Marlow J. Flow behavior of erythrocytes, I. Rotation and deformation in dilute suspensions. Proc R Soc Lond B 1972 ; 182 : 351–384. [CrossRef] [Google Scholar]
  4. Fisher T, Stöhr-Liesen M, Schmid-Schönbein H. The red cell as a fluid droplet: Tank tread-like motion of the human erythrocyte membrane in shear flow. Science 1978 ; 202 : 894–896. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Abkarian M, Faivre M, Viallat A. Swinging of red blood cells under shear flow. Phys Rev Lett 2007 ; 98 : 188302. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Dupire J, Abkarian M, Viallat A., Chaotic dynamics of red blood cells in a sinusoidal flow. Phys Rev Lett 2010 ; 104 : 168101. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  7. Dupire J, Socol M, Viallat A. Full dynamics of a red blood cell in shear flow. Proc Natl Acad Sci USA 2012 ; 109 : 20808–20813. [CrossRef] [Google Scholar]
  8. Ruef P, Linderkamp O. Deformability and geometry of neonatal erythrocytes with irregular shapes. Pediatric Res 1999 ; 45 : 114–119. [CrossRef] [Google Scholar]
  9. Lesesve JF, Garçon L, Lecompte T. Finding knizocytes in a peripheral blood smear. Am J Hem 2011 ; 87 : 105–106. [CrossRef] [Google Scholar]
  10. Yazdani AZK, Kalluri RM, Bagchi P. Tank-treading tumbling frequencies of capsules, red blood cells. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys 2011 ; 83 : 046305. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  11. Gerald Lim HW, Wortis M, Mukhopadhyay R. Stomatocyte-discocyte-echinocyte sequence of the human red blood cell: evidence for the bilayer-couple hypothesis from membrane mechanics. Proc Natl Acad Sci USA 2002 ; 99 : 16766–16769. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Illustrations des différents mouvements d’un globule rouge placé dans un écoulement de cisaillement. Les photographies sont des exemples de cellules filmées au microscope. Les points verts représentent la position d’une bille collée sur la membrane des cellules. A. Mouvement de culbute. La cellule a été filmée par dessus. B. Mouvement de chenille de char. La cellule a été filmée par dessus. C. Mouvement de frisbee. La cellule a été filmée par dessus. D. Mouvement de roue. La cellule a été filmée par le côté.

Dans le texte

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