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Globules rouges en écoulement, un groove syncopé en ode à leur discrète diversité

publié le , mis à jour le

Les globules rouges, qui constituent presque la moitié du volume sanguin et sont le vecteur du transport d’oxygène dans l’organisme, ont une mécanique subtile qui leur permet d’assurer leur fonction à travers les réseaux de la circulation sanguine. Si leur structure est relativement bien connue, il n’existe pas encore de modèle satisfaisant de la mécanique du globule rouge permettant de prévoir ou simuler son comportement dans des écoulements complexes ou de comprendre les désordres engendrés par certaines pathologies. Des chercheurs du LIPhy en collaboration avec l’Université Libre de Bruxelles ont réalisé une étude expérimentale poussée de la dynamique du globule rouge dans un écoulement de cisaillement, qui rend compte d’une grande diversité de comportements au sein d’un même échantillon sanguin et constitue un travail de référence pour la validation de nouveaux modèles.

Malgré leur relative simplicité en comparaison d’autres cellules vivantes, les globules rouges ont un comportement étonnamment complexe et varié suivant les conditions d’écoulement où ils se trouvent aux différents niveaux du réseau circulatoire, des artères aux capillaires. Leur déformabilité est essentielle pour assurer leur passage dans les plus fins capillaires mais également pour limiter l’augmentation de viscosité liée à leur forte concentration dans le sang. Cette déformabilité, qui résulte de l’aspect dégonflé des globules (par rapport à une cellule sphérique), est gouvernée par les propriétés mécaniques de la membrane et de son cytosquelette élastique. Des interrogations fondamentales persistent au sujet des propriétés du cytosquelette, de sa configuration au repos et de ses liens biomécaniques avec la membrane, qui se traduisent dans la réponse globale du globule rouge à des sollicitations mécaniques et hydrodynamiques.
Les chercheurs ont mené une étude expérimentale de la dynamique d’un très grand nombre de globules en écoulement de cisaillement simple, une configuration de référence pour la validation de modèles théoriques et numériques dans laquelle de nombreux modes de déformation et de rotation sont observés. Une technique de microscopie holographique développée par le partenaire de l’ULB et adaptée à l’étude de suspensions de cellules biologiques en écoulement a permis, par une analyse des distributions d’orientation et de rapport d’aspect apparent des cellules en écoulement, de distinguer et quantifier différentes populations. Ainsi, des résultats statistiquement significatifs et représentatifs de la multiplicité des états dynamiques (rotations, orientations et déformations) observables au sein d’un même échantillon de sang ont été obtenus, contrastant avec les résultats précédents obtenus sur un nombre limité de cellules. Cette diversité au sein d’un même échantillon de sang est due à la dispersion des propriétés mécaniques qui déterminent les transitions entre les différents mouvements en fonction de la vitesse d’écoulement.
Un résultat remarquable est l’observation d’un fort hystérésis de la dynamique (pour un même taux de cisaillement, les globules rouges se comportent différemment selon que ce taux de cisaillement augmente ou diminue), qui soulève des questions intéressantes sur la physique non linéaire des globules rouges.
Ces travaux devraient permettre de progresser dans la compréhension des détails de la mécanique du globule rouge et sa modélisation fine, ses paramètres pouvant par ailleurs être significativement altérés par des pathologies aux conséquences circulatoires potentiellement sévères.

Voir en ligne : Dynamics of a large population of red blood cells under shear flow, C. Minetti, V. Audemar, T. Podgorski, G. Coupier, J. Fluid Mech. 864, 408-448 (2019)