Ecoulements et rhéologie du sang

Objectifs

La composition du sang — une suspension dense de globules rouges représentant 40 à 50% de son volume — en fait un fluide complexe du point de vue de la rhéologie, qui entraîne des structures d'écoulement complexes dans le système circulatoire, en particulier à l'échelle de la microcirculation.

Les globules rouges ont une dynamique complexe même dans des écoulements simples du fait de leurs propriétés mécaniques, sans compter la variabilité de ces propriétés en fonction de facteurs tels que l'âge des globules ou des états pathologiques. Par ailleurs, les interactions entre globules rouges en suspension dense, qu'elles soient purement hydrodynamiques ou liées aux propriétés d'agrégation, conduisent à des structures et rhéologies complexes.

Nous abordons différentes questions liées aux mécanismes de la microcirculation par des études expérimentales aux différentes échelles, inspirées par des problématiques biologiques et médicales, en visant à faire progresser la compréhension fondamentale de ces mécanismes et pouvant déboucher sur des applications dans le domaine du diagnostic et du suivi de patients.

Travaux

Structure et stabilité des agrégats de globules rouges

(collaboration C. Wagner, Université de la Sarre, thèse M. Puthumana Melepattu)

À faible taux de cisaillement, les globules rouges s'agrègent sous l'effet de mécanismes de pontage et/ou de forces de déplétion liés à la présence de protéines dans le plasma (notamment le fibrinogène), conduisant à la formation de structures appelées "rouleaux" semblables à des piles de pièces de monnaie. Cette agrégation réversible est notamment responsable de la rhéofluidification du sang (la viscosité du sang est plus importante aux faibles vitesses d'écoulement), et contrôle la vitesse de sédimentation du sang, un test classique en hématologie, du fait de la variabilité du taux de fibrinogène dans le plasma (qui augmente notamment en situation pathologique). La stabilité de ces agrégats, liée aux forces d’interaction entre membranes et aux propriétés mécaniques des globules rouges, conditionne le niveau d’agrégation dans les capillaires et la dynamique microcirculatoire [1].  Nous étudions les mécanismes d’agrégation et désagrégation des globules rouges et avons notamment développé une technique de mesure microfluidique combinée à une analyse IA permettant de caractériser l’aggrégabilité des globules rouges en écoulement élongationnel [2], qui permet d'étudier l'influence de différents paramètres tels que le vieillissement des globules rouges [3].

Cinétique de l’agrégation des globules rouges et rhéologie sanguine 

(collaborations C. Minetti, ULB Bruxelles, financement et soutien CNES et ESA)

Dans le cadre du projet KRABS (Kinetics of Red cell Aggregation and Blood Structure-rheology link) soutenu par le CNES et l’ESA, nous étudions la cinétique des modifications rhéologiques du sang associées à l’agrégation des globules rouges, en lien avec des anomalies de la circulation sanguine observées chez les astronautes en vol spatial. Le projet met en jeu des expériences en microgravité réalisées en vol paraboliques à bord de l’Airbus Zero-G de Novespace et en fusée sonde MASER (vol prévu en 2026) opérée par Swedish Space Corporation.

Dynamique du trafic et instabilités dans la microcirculation sanguine 

(collaborations G. Coupier, LIPhy Grenoble, N. Karst, Babson College, J. Geddes, Olin College, postdoc M. Alonzo, financement LabEx Tec21)

La microcirculation sanguine, où se font les échanges entre le sang et les tissus, met en jeu des réseaux de vaisseaux capillaires complexes dans lesquels l’écoulement est fortement hétérogène en termes de vitesses d’écoulement et d’hématocrite (concentration en globules rouges) et peut présenter des fluctuations importantes dans le temps. Ces fluctuations sont le résultat de comportements rhéologiques complexes liés à la structuration des globules rouges dans les vaisseaux et à des phénomènes de séparation de phase se produisant aux bifurcations du réseau. En combinant expériences et modélisation, nous étudions les mécanismes fondamentaux (rhéologie du sang, distribution aux bifurcations) et les conditions d’apparition de configurations d’écoulements multiples dans les réseaux complexes et leurs implications sur la microcirculation [4].

Biomarqueurs rhéologiques pour la drepanocytose 

(collaboration C. Makowski, CHU Grenoble Alpes)

La drépanocytose est une pathologie héréditaire des globules rouges, caractérisée par leur rigidification, un changement de forme et une fragilité accrue, due à une altération de l’hémoglobine entraînant sa polymérisation à faible pression partielle en oxygène. Le symptôme le plus sévère est la crise vaso-occlusive drépanocytaire, qui survient lorsqu’un grand nombre de cellules rigidifiées provoquent une obstruction de la microcirculation. Il existe peu d’indicateurs quantifiant la sévérité de la maladie ou reflétant son hétérogénéité phénotypique, et aucun prédicteur fiable des événements vaso-occlusifs.

Nous menons une étude clinique en partenariat avec le CHU Grenoble Alpes, visant à évaluer la pertinence de la distribution des propriétés rhéologiques des globules rouges au sein d’un échantillon pour le diagnostic et le suivi des patients, en utilisant des mesures directes de déformabilité en microfluidique et en testant une technique basée sur des sondes fluorescentes, qui a déjà fait l’objet d’une première preuve de concept [5].

Références

[1] J. Martin-Wortham, Exploration de la dynamique de l’Agrégation des Globules Rouges dans la Microcirculation, thèse de doctorat de l’Université Grenoble Alpes (2023)

[2] M. Puthumana Melepattu, G. Maîtrejean, T. Podgorski, Dissociation of red blood cell aggregates in extensional flow, Physical Review Fluids 9, L071101 (2024)  

[3] M. Puthumana Melepattu, G. Maîtrejean, C. Wagner, T. Podgorski,  Influence of erythrocyte density on aggregability as a marker of cell age: Dissociation dynamics in extensional flow, Journal of Biomechanics 183, 112603 (2024)

[4] M. Alonzo, N. J. Karst, T. Podgorski, J. B Geddes, G. Coupier, Spatio-Temporal Instabilities of Blood Flow in a Model Capillary Network, Physical Review Fluids 9, 104401 (2024)

[5] A. Briole, T. Podgorski, B. Abou, Molecular rotors as intracellular probes of red blood cell stiffness, Soft Matter 17, 4525-4537 (2021)