Simulation de la microcirculation sanguine et son couplage à la signalisation biochimique

Simulation of blood microcirculation and its coupling to biochemical signaling

• Auteur / Autrice : Hengdi Zhang
• Direction : Chaouqi Misbah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 04/12/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Polack
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Leonetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jens Harting, Timm Krüger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport biologique

Microcirculation

Hémodynamique

Rhéologie (biologie)

Mots clés libres

Écoulement sanguin

Globules rouges

Vésicules

Rhéologie

Microcirculation

Méthode Boltzmann sur réseau

Blood flow

Red blood cells

Vesicle

Rheology

Advection-Diffusion

Lattice-Boltzmann method

Résumé

La circulation sanguine joue un rôle vital en microcirculation, et ce pour le transport de l'oxygène, le dioxide de carbone et d'autres nutriments. Les globules rouges (GR) constituent la majorité des cellules du sang, c'est pourquoi par "écoulement sanguin", nous entendrons "écoulement d'une suspension de GR". Pendant longtemps l'écoulement sanguin était vu comme un phénomène passif où les GR sont considérés comme des cargos d'oxygène. La vision moderne est tout autre: l'écoulement sanguin est bel et bien un phénomène actif. Les GR ainsi que les cellules endothéliales (qui tapissent les faces internes des vaisseaux sanguins) sont impliquées dans un grand nombre de signalisations biochimiques induites par les contraintes hydrodynamiques, la route vers des régulations vasomotrices sans l'intervention du système nerveux. Par exemple, les GR ne transportent pas que l'oxygène, mais également de l'ATP (adenosine triphosphate), qui est libérée suite à des changements de conformation de protéines membranaires induite par les contraintes hydrodynamiques. Cette thèse est dédiée à la circulation sanguine et son couplage avec la signalisation biochimique ayant lieu en microcirculation. Plus précisément, les questions traités dans cette thèse sont i) la dynamique des GR, ii) le problème de la diffiusion-advection d'espèces chimiques au sein des écoulements sanguins, et iii) le rôle de la géométrie des réseaux vasculaires dans le processus de la signalisation biochimique mentionnés plus haut. Dans un premier temps nous analysons la dynamique de GR dans un écoulement de Poiseuille en présence de valeurs réalistes de contraste de viscosité. Dans un deuxième temps nous développons un modèle de diffusion-advection et le couplons aux écoulements sanguins en adoptant la méthode de Boltzmann sur réseaux; nous exploitons ensuite formulation en l'appliquant au problème de la libération de l'ATP par les GR sous écoulement. Enfin nous présentons des résultats préliminaires pour la problématique générale de l'écoulement sanguin mettant en jeu l'ATP libéré par les GR et la signalisation de calcium par les cellules endothéliales. Cette étude constitue un premier pas vers le problème général et ambitieux de la régulation locale mechano-biochimique impliquée dans la microcirculation.

Blood flow in microcirculation is vital for oxygen, carbon dioxide and nutrients transport. Most of blood cells are red blood cells (RBCs), so that by blood flow we mean flow of a suspension of RBCs. For long time blood flow has been mainly considered as a passive phenomenon, in which RBCs are viewed as passive carriers of oxygen. The modern view is completely different: blood flow is more active than we thought. The RBCs as well as vascular endothelial cells covering the internal walls of blood vessels are involved in a number of biochemical signaling processes that are triggered by shear stress eliciting a number of biochemical events, and ultimately resulting into vasomotor regulation without participation of the nerve system. For example, RBCs do not only carry oxygen but also ATP (adenosine triphosphate) , the release of which occurs thanks to changes of RBC membrane protein conformations caused by shear stress. Released ATP reacts with some endothelial membrane receptors leading to vasodilation. This thesis is devoted to blood flow and its coupling to biochemical signaling. More precisely, we investigate i) the dynamics of RBCs, ii) the advection diffusion of chemicals in blood flow and the role of iii) the geometry of vessel networks, in the mentioned signaling processes in microcirculations. Firstly, we study the RBC dynamics in a pipe flow with realistic viscosity contrast values, where a link between shape dynamics and rheology is established. Secondly, we develop an advection-diffusion solver that can handle general moving curved boundaries based on lattice-Boltzmann method (LBM); we then implement it for the study of the problem of ATP release from RBCs under shear flow. Membrane tension and deformation induced by shear stress together with vessel network geometry contribute to ATP release. Finally we demonstrate the capability of applying our model and our numerical tool to the complete problem of blood under flow involving ATP release from RBCs and endothelial calcium signaling as a preliminary step to the ambitious task of mechano-involved local regulation events in microcirculation.