Investiguer l'hémorhéologie via la microfluidique : agrégation et mécanique des globules rouges

Investigating Hemorheology via Microfluidics: Red Blood Cell Aggregation and Mechanics

• Auteur / Autrice : Midhun Puthumana melepattu
• Direction : Thomas Podgorski
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique pour les Sciences du Vivant
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/03/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Rhéologie et Procédés
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Lorthois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugues Bodiguel, Manouk Abkarian, Magalie Faivre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manouk Abkarian, Magalie Faivre

Mots clés

Mots clés libres

Agregation

Microfluidique

Sang

Suspension

Rhéologie

Globule rouge

Suspension

Aggregation

Red blood cell

Microfluidics

Blood

Rheology

Résumé

La dynamique des globules rouges (GR) en circulation est centrale dans la compréhension des écoulements sanguins et ses implications pour la santé,et nécessite des approches innovantes pour étudier leur comportement dans des conditions physiologiques et pathologiques. Le système circulatoire humain est profondément influencé par le comportement collectif et individuel des GR. L’agrégation des GR,un facteur clé dans la rhéologie sanguine et la microcirculation, est gouvernée par les propriétés mécaniques et l’agrégabilité des cellules. Cette thèse explore la dynamique de dissociation des agrégats de GR en écoulement extensionnel, en utilisant des canaux microfluidiques hyperboliques et des techniques avancées d’analyse d’images reposant sur des réseaux neuronaux convolutifs. Cette étude se concentre sur deux points essentiels : la relation entre contraintes extensionnelles et dissociation d’agrégats et l’influence de la densité des GR – un marqueur indirect de l’âge cellulaire et des propriétés mécaniques – sur leur agrégabilité. Les résultats révèlent que les taux de dissociation augmentent fortement au-delà d’un taux d’extension critique compatible avec les conditions microcirculatoires in vivo. De plus, les agrégats formés par des GR plus denses et âgés présentent une stabilité nettement supérieure à ceux issus de la population cellulaire générale. En utilisant la centrifugation sur gradient de Percoll pour séparer les GR en densité, ce travail révèle les liens entre vieillissement cellulaire, propriétés mécaniques et agrégation. Ces résultats fournissent des données expérimentales cruciales pour la validation théorique, approfondissent la compréhension de l’agrégation des GR dans des contextes physiologiques et proposent des approches innovantes pour l’évaluation clinique de la rhéologie sanguine Le dispositif d’écoulement extensionnel microfluidique développé dans la première partie de cette thèse a ensuite été utilisé pour évaluer la déformabilité des GR dans le cadre d’une étude clinique réalisée en partenariat avec le CHU Grenoble Alpes. Ce système permet des analyses comparatives précises des indices de déformation entre GR sains et pathologiques, avec des résultats préliminaires soulignant son efficacité dans la détection des altérations mécaniques induites par les maladies. Enfin, un nouveau dispositif expérimental a été développé pour étudier la cinétique des variations rhéologiques associées à l’agrégation des GR, motivé par les anomalies de circulation sanguine observées chez les astronautes lors des vols spatiaux et en vue d’une future expérience par fusée-sonde sponsorisée par l’ESA. Dans ce contexte, nous avons développé un prototype expérimental testé lors d’expériences de vols paraboliques du CNES et de l’ESA, fournissant des conditions de microgravité permettant de supprimer la sédimentation. Il se concentre sur la caractérisation de l’évolution dynamique de l’agrégation des GR dans des conditions d’écoulement lent en combinant mesures de viscosité et caractérisation optique. Les expériences fournissent des informations cruciales sur la cinétique de l’agrégation et de la désagrégation des GR et leurs implications sur la rhéologie sanguine globale, ainsi que pour la conception et le développement de la future expérience en fusée-sonde. Ce travail explore les mécaniques des GR et les dynamiques d’agrégation à travers l’utilisation de plateformes microfluidiques innovantes et de techniques analytiques avancées. Les résultats contribuent à une meilleure compréhension de la rhéologie sanguine dans des conditions physiologiques et pathologiques, tout en fournissant une base pour des approches translationnelles potentielles dans les diagnostics cliniques et la prise en charge des patients. Ces perspectives mettent en lumière l’interaction entre mécaniques cellulaires, agrégation, écoulement et facteurs physico-chimiques, ouvrant des directions pour de futures études sur l’écoulement sanguin et la microcirculation.

The dynamics of red blood cells (RBCs) in circulation are central to understanding blood flow and its broader implications for health and disease, necessitating innovative approaches to study their behavior under physiological and pathological conditions. The efficiency of the intricate human circulatory system is profoundly influenced by both the collective and individual behavior of red blood cells (RBCs). Aggregation of RBCs, a key factor in determining blood rheology and microcirculatory flow, is governed by the mechanical properties and the aggregability of the cells. This thesis explores the dissociation dynamics of RBC aggregates under extensional flow conditions, employing hyperbolic microfluidic constrictions and advanced image analysis techniques powered by convolutional neural networks (CNNs). Amongst others, this investigation focuses on two pivotal aspects: the role of extensional stress in destabilizing aggregates of varied strengths, and the influence of RBC density-a surrogate marker of cell age and mechanical properties-on their aggregability. Results reveal that dissociation rates escalate sharply beyond a critical extension rate determined in this study, mirroring microcirculatory flow conditions in vivo. Furthermore, aggregates formed by denser, aged RBCs exhibit markedly greater stability than those from the general cell population. By employing Percoll gradient centrifugation to isolate RBCs into density-based fractions, this work elucidates the interplay between cellular aging, mechanical properties, and aggregation. These findings provide critical experimental evidence for theoretical validation, deepen the understanding of RBC aggregation in physiological contexts and offer innovative approaches for clinical assessment of hemorheology. The microfluidic extensional flow device developed in the first part of this thesis was further employed to evaluate RBC deformability within the framework of a clinical study undertaken in partnership with CHU Grenoble Alpes, measuring RBC membrane mechanics as clinical markers for pathologies and improving patient follow-up. This system facilitates precise comparative analyses of deformation indices between healthy and pathological RBCs, with preliminary findings underscoring its efficacy in detecting disease-induced alterations in cellular mechanics. Finally, a new experimental setup was developed to investigate the kinetics of blood rheological changes associated with RBC aggregation, with the aim of improving our understanding of blood rheology. This research is motivated by the blood circulation anomalies observed in astronauts during spaceflight and participates in the development of a future ESA-sponsored sounding rocket experiment. In this context, we developed an experiment prototype that was tested in CNES and ESA parabolic flight experiments, that provide microgravity conditions allowing for the suppression of sedimentation. It focuses on characterizing the dynamic evolution of RBC aggregation under slow flow conditions through a combination of viscosity measurements and optical characterisation. Investigations conducted at moderate shear rates provide critical insights into the kinetics of RBC aggregation and disaggregation and their implications on overall blood rheology, as well as crucial information for the design and development of the future sounding rocket experiments. This work explores RBC mechanics and aggregation dynamics through the use of innovative microfluidic platforms and advanced analytical techniques. The findings contribute to a deeper understanding of blood rheology under both physiological and pathological conditions, while providing a basis for potential translational approaches in clinical diagnostics and patient care. These insights highlight the interplay between cellular mechanics, aggregation, flow, and physico-chemical factors offering valuable directions for future studies in blood flow and microcirculation.