Le premier objectif de cette thèse était d’améliorer l’utilisation et la compréhension des outils de mesure de la déformabilité du globule rouge (GR) dans la drépanocytose (Etudes 1 et 2). L’étude 1 a montré l’importance de la standardisation des mesures de déformabilité par ektacytométrie chez les enfants drépanocytaires. Au cours de l’étude 2, les propriétés des GR ont été modifiées et la variation des courbes de déformabilité érythrocytaire « classique » (index d’élongation en fonction de la contrainte de cisaillement en milieu isotonique) a été comparée aux résultats d’osmoscan (mesure de la déformabilité érythrocytaire en gradient osmolaire à contrainte de cisaillement fixe), méthode de référence pour étudier les anomalies de la membrane du GR. Ainsi, les variations de déformabilité érythrocytaire au-delà de 3 Pa sont affectées à la fois par la viscosité interne du GR et par des modifications de la surface cellulaire (rapport surface/volume) alors que les modifications de l’élasticité membranaire affectent la déformabilité érythrocytaire quelles que soient les forces de cisaillements utilisées (faibles, modérées ou hautes). Le deuxième objectif de cette thèse était d’apporter des éléments supplémentaires sur l’implication des facteurs génétiques, des paramètres hémorhéologiques et du niveau de stress oxydant sur la survenue des complications vaso-occlusives chez les patients atteints de syndrome drépanocytaire majeur (Etudes 3 à 6). La mise en commun des résultats d’hémorhéologie obtenus sur 165 patients de notre cohorte lyonnaise et 240 patients de la cohorte guadeloupéenne a permis de montrer que la rhéologie du GR chez les patients drépanocytaires était dépendante de l’âge. Ainsi, la viscosité sanguine augmente avec l’âge pour atteindre un plateau vers 30 ans alors que la déformabilité érythrocytaire diminue avec l’âge (Etude 3). Ces modifications participent vraisemblablement à l’apparition de complications chroniques chez l'adulte drépanocytaire. Les études 4 et 5 ont été réalisées sur la cohorte pédiatrique lyonnaise. Au cours de ces 2 études, nous avons étudié l’influence sur la rhéologie du sang et la survenue de crises vaso-occlusives (CVO) des facteurs génétiques (alpha-thalassémie, déficit en Glucose-6-Phosphate Déshydrogénase (G6PD) et haplotypes S) d’une part (Etude 4) et du niveau de stress oxydant et nitrosatif d’autre part (Etude 5). L’alpha-thalassémie augmente la déformabilité des GR et l’agrégation érythrocytaire. Ces 2 phénomènes pourraient participer à augmenter le risque de CVO. De plus, l’alpha-thalassémie, en diminuant l’hémolyse, diminuerait le niveau de stress oxydant, élément majeur impliqué dans la physiopathologie de la drépanocytose. Enfin, l’étude 6 a montré que la rhéologie sanguine des patients Sbêta+ était quasi-identique à celle des sujets sains AA mais que les patients les plus sévères pourraient avoir un déficit en monoxyde d’azote circulant. En conclusion, mon travail de thèse contribue à une meilleure compréhension de la physiopathologie de la drépanocytose / The first goal of this thesis (Study 1 and 2) was to improve the use and the comprehension of tools for red blood cell (RBC) deformability measurements in sickle cell disease (SCD). The first study showed the importance of standardization of RBC deformability measurements by ektacytometry in SCD children. In the study 2, the RBC proprieties was modified and the variation of « classic » RBC deformability curve (elongation index as a function of the shear stress in isotonic medium) was compared to osmoscan results (elongation index in hyperosmolar gradient and constant shear stress), the gold standard for RBC membrane defect studies. Thus, the modifications of RBC deformability curve above 3 Pa were affected by RBC internal viscosity and cellular surface modification (and thus surface/volume ratio) while membran elasticity modifications affected RBC deformability whatever the shear stress (low, moderate or high). The second goal of this thesis was to study the effects of genetic modifiers, hemorheological parameters and oxidative stress level on vaso-occlusive complications (VOC) in SCD (Study 3 to 6). Hemorheological parameters were measured on 165 patients from Lyon and 240 patients from Gwada and the results showed that blood viscosity increased until the age of 30 and RBC deformability decreased with age (Study 3). This modifications probably play role in the chronic complications of SCD adult patients. The studies 4 and 5 were conducted on SCD children. We studied the effects of genetic modifiers (alpha-thalassemia, glucose-6-phospho-deshydrogenase deficiency and S haplotypes ; study 3) and nitro-oxidative stress level (study 5). Alpha-thalassemia increase RBC deformability and RBC aggregation. This phenomenon could contribute to increase VOC. Moreover, alpha-thalassemia decreased hemolysis and thus oxidative stress, a major component of SCD physiopathology. Then the study 6 showed that Sbeta+ patient hemorheology was quite the same of AA ubjects but the more severe patients could have a defect in circulating nitric oxide. To conclude, my thesis contribute to a better understanding of SCD physiopathology

La drépanocytose est une hémoglobinopathie aux formes et aux sévérités cliniques très hétérogènes qui affectent de nombreux organes chez les patients touchés. Pour cette raison le terme de syndrome drépanocytaire majeur est généralement employé. Tous les syndromes drépanocytaires majeurs ont en commun une mutation ponctuelle du gène β-globine appelée mutation βs . Cette mutation βs conduit à la synthèse de la protéine d'hémoglobine S (HbS) caractérisée par sa capacité à polymériser dans sa forme désoxygénée. La polymérisation de l'HbS est l'élément déclencheur de la falciformation du globule rouge et conduit à de nombreuses altérations hématologiques et hémorhéologiques. Ces dernières sont à l'origine de troubles de l'hémodynamique, de l'oxygénation sanguine et de la perfusion tissulaire en oxygène. Il en résulte de nombreuses complications aigues (crise vaso-occlusive, accident vasculaire cérébral, syndrome thoracique aigu etc.) et/ou chroniques (glomérulopathie, ostéonécrose de la tête fémorale etc.) causés par un défaut d'oxygénation des tissus. / Sickle cell anemia is a hemoglobinopathy forms and severities very heterogeneous clinical affecting many organs in affected patients. For this reason the term major sickle cell syndrome is generally used. All major sickle cell syndromes have a common point mutation in the gene called β-globin mutation βs. This βs mutation leads to the synthesis of the protein hemoglobin S (HbS) is characterized by its ability to polymerize in its deoxygenated form. The polymerization of HbS is the trigger for the sickling of red blood cells and leads to many Hematological and hemorheological. These are at the origin of disorders hemodynamics, blood oxygenation and tissue perfusion with oxygen. This results in many acute complications (vaso-occlusive crisis, stroke, acute chest syndrome, etc..) And / or chronic (glomerulopathy, osteonecrosis of the femoral head etc.). Caused by a defect of tissue oxygenation.

La drépanocytose ou anémie falciforme est la maladie génétique la plus répandue dans le monde. Elle affecte plus particulièrement les populations des régions africaines sub-sahariennes, du sous-continent Indien et celles issues de ces populations. La Guadeloupe, archipel des Antilles françaises est une zone à forte prévalence drépanocytaire. La drépanocytose se caractérise par des anomalies de l’hémoglobine et du globule rouge qui mènent à des complications aigues et chroniques pouvant toucher tous les organes, dont les yeux. Récemment, plusieurs auteurs ont rapporté une prévalence importante de la maculopathie dans la drépanocytose mais la physiopathologie reste très mal comprise. Ainsi, nous avons réalisé deux études. La première, consistait à étudier la prévalence de la rétinopathie et de la maculopathie drépanocytaires et de tester l’association entre ces deux complications. De plus, nous avons recherché un éventuel lien avec différentes anomalies biologiques. Nous avons montré que la rétinopathie et la maculopathie étaient deux complications fréquentes mais indépendantes dans la drépanocytose. Les résultats de cette première étude ne supportent pas un lien éventuel entre les anomalies hématologiques, hémorhéocarlogiques ou le génotype et ces deux complications. Dans une deuxième étude nous avons essayé de mieux caractériser la maculopathie drépanocytaire en réalisant un électrorétinogramme multifocal (mfERG) et une tomographie en cohérence optique spectral domain (SD-OCT) chez des patients SS et SC sans signe clinique de maculopathie. Nous avons pu mettre en évidence des altérations maculaires électrophysiologiques chez les patients drépanocytaires paraissant exempt de toute maculopathie à l’examen clinique. Par ailleurs, nous avons retrouvé que la maculopathie drépanocytaire est aussi fréquente chez les SS que chez les SC.Notre travail confirme le caractère fréquent des complications rétiniennes drépanocytaires. Cependant, elles apparaissent comme complètement indépendantes l’une de l’autre et les mécanismes physiopathologiques sous-jacents restent mal compris / Sickle cell disease (SCD) also known as sickle cell anemia is the most common genetic affection in the world. Most of SCD cases occur in sub-Saharan Africa, india and among people of African and indian descent living in other parts of the world. SCD is common in Guadeloupe, French West indies. It results in an abnormal hemoglobin leading to rigid sickle like shape red blood cells responsible for a great number of acute and chronical systemic complications including ophthalmic affections. Recently, a wild prevalence of maculopathy has been reported by several authors but its pathophysiology remains unclear.We performed two studies. The aim of the first one was to investigate the prevalence of SCD retinopathy and maculopathy and to test the association between these two conditions. Moreover, we looked for a possible link with biological abnormalities. Our study confirmed that SCD maculopathy and retinopathy are common but they remain two independent affections. Nevertheless, we found no association with hematological parameters, blood rheology of genetic.In the second study, we described and compared spectral domain ocular coherence tomography (SD-OCT) and multifocal electroretinogram (mfERG) findings in patients with SCD without clinical sign of maculopathy, according to the hemoglobin genotype. We found electrophysiological macular dysfunction in SCD patients with no clinical maculopathy. Furthermore, maculopathy was as frequent in SCA than in SCC patients.Our work confirms that retinal affections are common in SCD. Nevertheless, retinopathy and maculopathy seem to be two independent complications and their pathophysiology remains misunderstood.

Pour rétablir, ou maintenir, le flux coronarien dans des artères en partie ou totalement obstruées, on implante une endoprothèse qui a la forme d'un petit ressort métallique. Cependant, la pose de ces stents conduit dans 5 à 20% des interventions à une lente réocclusion qui naît en partie de la réponse des cellules pariétales aux efforts hémodynamiques.<br /><br />Notre étude vise donc à établir numériquement (à l'aide du logiciel Star-CD) et expérimentalement (par PIV et PSV) la topologie de l'écoulement intra stent, mais aussi à quantifier les niveaux de contraintes pariétales au sein du design, en écoulement newtonien et non newtonien. En préambule, une synthèse bibliographique des réponses des cellules constitutives de la paroi artérielle à différents niveaux de contrainte de cisaillement est proposée. La connaissance de ces réponses différenciées des cellules endothéliales et musculaires lisses permet alors de proposer une estimation des régions favorables à la resténose, via le calcul des contraintes de cisaillement qui leurs sont appliquées.<br /><br />Notre étude paramétrique bidimensionnelle a permis de démontrer la prépondérance de la hauteur des branches sur les risques de resténose. Les résultats tridimensionnels permettent d'estimer les lieux d'une activité mitogénique potentiellement anormale, ainsi que le caractère non newtonien et quasi-stationnaire de l'écoulement intravasculaire au niveau de la paroi artérielle.

Nous avons étudié les marqueurs hémorhéologiques, hématologiques et biochimiques chez des sujets drépanocytaires homozygotes SS (HbS/HbS) et hétérozygotes composites SC (HbS/HbC) dans deux cohortes, pédiatriques et adultes, de patients drépanocytaires, et ce, à travers 7 complications récurrentes de la drépanocytose : 2 appartenant au profil hémolytique (l’ulcère de jambes et la glomérulopathie) et 5 appartenant au phénotype visqueux/vaso-occlusif (l’hypertension artérielle, le syndrome thoracique aigu (STA), la crise vaso-occlusive (CVO), la rétinopathie et l’ostéonécrose). Nous avons montré que : 1) une viscosité sanguine et une déformabilité érythrocytaire élevées sont des facteurs de risques de CVO chez les enfants homozygotes ; 2) Une viscosité sanguine élevée est associée à une hypertension artérielle systémique relative chez des adultes SS ; 3) les enfants SC présente une fonction vasculaire mieux préservée que les enfants SS pour faire face à une augmentation de la viscosité sanguine ; 4) les patients adultes SS avec une ostéonécrose présentent une déformabilité érythrocytaire plus élevée que les patients sans ostéonécrose ; 5) une viscosité sanguine élevée est associée à la présence d’une rétinopathie chez les adultes SC mais pas chez les SS ; 6) les patients adultes SS présentant une glomérulopathie ont un taux d’hémolyse élevé, une déformabilité érythrocytaire réduite et des agrégats érythrocytaires très robustes ; 7) les patients adultes SS avec des ulcères de jambes récurrents ont un taux d’hémolyse accru et une déformabilité érythrocytaire réduite. De plus, nos travaux confirment que l’-thalassémie module les propriétés de déformabilité érythrocytaire, mais montrent pour la première fois qu’elle module aussi les propriétés d’agrégation érythrocytaire, et notamment la force des agrégats érythrocytaires. En conclusion, ces travaux permettent de préciser le rôle de la rhéologie sanguine dans un certain nombre de complications de la drépanocytose et d’enrichir le modèle préexistant divisant les complications de la drépanocytose selon 2 phénotypes : hémolytique versus visqueux/vaso-occlusif. Nous montrons pour la première fois que le phénotype hémolytique est caractérisé aussi par des anomalies de la rhéologie du globule rouge : rigidité accrue et agrégats érythrocytaire robustes. / Hemorheological, hemathological, and biochemical marquers of patients with sickle cell anemia (SS) and patients with sickle cell SC disease (SC) were studied in 2 cohorts: children and adults. We focused on 7 recurrent complications: 5 belonging to the viscosity/vaso-occlusion phenotype (systemic hypertension, acute chest syndrome (ACS), vaso-occlusive crisis (VOC), retinopathy and osteonecrosis) and 2 belonging to the hemolytic phenotype (leg ulcer and glomerulopathy). Our results show that 1) high viscosity is associated with increased risk for VOC in SS children; 2) blood viscosity is increased in SS adults with systemic relative hypertension; 3) SC children have preserved vascular function compared to SS children; 4) SS adults with osteonecrosis are characterized by higher red blood cell (RBC) deformability than SS adults without osteonecrosis; 5) high blood viscosity is associated with retinopathy in SC adults but not in SS adults; 6) SS adults affected by glomerulopathy have high hemolytic rate, low RBC deformability and increased RBC aggregates strenght; 7) SS adults with recurrent leg ulcers have high hemolytic rate and reduced RBC deformability. Moreover, our studies shows that alpha-thalassemia modulate RBC deformability and RBC aggregation properties. In conclusion, this work shows for the first time that the hemolytic phenotype is characterized by an abnormal RBC rheology which may play a role in several sickle cell complications.

Dans le but de vérifier l’impact d’un changement soudain dans l’agrégation érythrocytaire sur certains paramètres cardiovasculaires, une transfusion par échange sanguin du tiers du volume a été effectuée avec du sang hyperagrégeant chez le rat de souche Brown Norway. La pression caudale, le volume cardiaque systolique, la fraction d’éjection, le débit cardiaque, le rythme cardiaque et la résistance périphérique à l’écoulement sanguin ont été observés non-intrusivement sur 19 jours suite à la transfusion. Les rats ont été sacrifiés plus d’un mois suivant la transfusion et une étude ex vivo de la réponse à deux agents dilatateurs (l’acétylcholine et le nitroprussiate de sodium) a été menée sur les artérioles mésentériques. Des variations des paramètres cardiovasculaires, soit le débit, le volume systolique et la résistance périphérique, ont été remarquées dans les trois premiers jours posttransfusion. Une résistance du muscle vasculaire lisse au monoxyde d’azote a été notée chez les rats transfusés au sang hyperagrégeant alors qu’aucune dysfonction endothéliale n’était apparente en réponse à l’acétylcholine. / The aim of this study was to evaluate the effects of an acute change in erythrocyte aggregation on cardiovascular parameters by exchanging one third of the blood volume with hyperaggregating blood in the Brown Norway rat model. Values of caudal pressure, systolic cardiac volume, ejection fraction, cardiac output, heart rate and peripheral resistance to blood flow were observed non-invasively over 19 days after transfusion. The rats were sacrificed after more than a month following the procedure and an ex vivo study in response to pharmacological agents (acetylcholine and sodium nitroprussiate) was performed on mesenteric arterioles. Variations in cardiac output, systolic volume and peripheral resistance were noted for the first three days post-transfusion. The vascular smooth muscles of rats transfused with the hyperaggregating erythrocytes seemed to have developed a resistance to nitric oxide but no endothelial dysfunction was observed in response to acetylcholine.

Dans le but de vérifier l’impact d’un changement soudain dans l’agrégation érythrocytaire sur certains paramètres cardiovasculaires, une transfusion par échange sanguin du tiers du volume a été effectuée avec du sang hyperagrégeant chez le rat de souche Brown Norway. La pression caudale, le volume cardiaque systolique, la fraction d’éjection, le débit cardiaque, le rythme cardiaque et la résistance périphérique à l’écoulement sanguin ont été observés non-intrusivement sur 19 jours suite à la transfusion. Les rats ont été sacrifiés plus d’un mois suivant la transfusion et une étude ex vivo de la réponse à deux agents dilatateurs (l’acétylcholine et le nitroprussiate de sodium) a été menée sur les artérioles mésentériques. Des variations des paramètres cardiovasculaires, soit le débit, le volume systolique et la résistance périphérique, ont été remarquées dans les trois premiers jours posttransfusion. Une résistance du muscle vasculaire lisse au monoxyde d’azote a été notée chez les rats transfusés au sang hyperagrégeant alors qu’aucune dysfonction endothéliale n’était apparente en réponse à l’acétylcholine. / The aim of this study was to evaluate the effects of an acute change in erythrocyte aggregation on cardiovascular parameters by exchanging one third of the blood volume with hyperaggregating blood in the Brown Norway rat model. Values of caudal pressure, systolic cardiac volume, ejection fraction, cardiac output, heart rate and peripheral resistance to blood flow were observed non-invasively over 19 days after transfusion. The rats were sacrificed after more than a month following the procedure and an ex vivo study in response to pharmacological agents (acetylcholine and sodium nitroprussiate) was performed on mesenteric arterioles. Variations in cardiac output, systolic volume and peripheral resistance were noted for the first three days post-transfusion. The vascular smooth muscles of rats transfused with the hyperaggregating erythrocytes seemed to have developed a resistance to nitric oxide but no endothelial dysfunction was observed in response to acetylcholine.

A partir du défaut premier de la drépanocytose, la polymérisation de l’hémoglobine S (HbS), se développe toute une série de processus anormaux qui contribuent au développement d’une réponse inflammatoire et d’un stress oxydant dus à une hypoxie-reperfusion traumatisante et à l’auto-oxydation de l’HbS. L’exacerbation du stress oxydatif semble participer de manière active aux mécanismes physiopathologiques de la maladie et jouer un rôle dans la survenue des crises vaso-occlusives (CVO). Les travaux menés dans le cadre de cette thèse avaient pour objectif de mieux documenter les effets délétères du stress oxydant sur le globule rouge et son impact dans le développement des CVO. Nous avons, en premier lieu, évalué in vitro l’impact du stress oxydant sur la rhéologie sanguine des patients drépanocytaires SS et SC à l’aide d’un agent à fort potentiel oxydant, le t-butyl hydroperoxide (TBHP). Nous avons montré que les globules rouges des patients drépanocytaires (GR SS) produisent en présence du TBHP davantage de radicaux libres que les GR provenant de sujets contrôles (GR AA) et que ces GR SS présentent un système de défense anti-oxydant diminué. L’induction d’un stress oxydant accentue les altérations rhéologiques déjà présentes chez les patients drépanocytaires (i.e, déformabilité diminuée, diminution de l’indice d’agrégation, augmentation du seuil de désagrégation) tandis qu’il induit chez les sujets contrôles un profil hémorhéologique altéré proche de celui déjà préexistant chez les patients drépanocytaires. Ces résultats suggèrent que le stress oxydant, en participant aux anomalies hémorhéologiques associées à la drépanocytose, pourrait être l’un des facteurs favorisant la survenue des complications drépanocytaires. Nous nous sommes de plus attachés à documenter directement l’impact du stress oxydant dans le développement des CVO en analysant des prélèvements sanguins provenant de patients drépanocytaires SS en crise et à l’état de base. Il s’agissait : 1) de tester l’hypothèse selon laquelle la protéine bande 3, protéine de la membrane du GR, est une cible majeure des espèces réactives de l’oxygène qui provoquent au niveau de cette protéine l’apparition d’épitopes de senescence reconnus par des auto anticorps anti-bande 3 ; 2) d’évaluer l’évolution de marqueurs moléculaires et cellulaires pro- et anti-oxydants ; 3) d’étudier l’évolution des paramètres hémorhéologiques ; 4) d’explorer l’activité du système nerveux autonome, considéré comme un marqueur potentiel de sévérité. Nous avons mis en évidence au cours des CVO : 1) une exacerbation du stress oxydant ; 2) une diminution du taux d’anticorps anti-bande 3 et une augmentation de la concentration plasmatique de microparticules érythrocytaires, suggérant que ces deux processus sont liés au phénomène de clusterisation de la protéine bande 3 déclenché par le stress oxydant ; 3) une exacerbation des anomalies hémorhéologiques se traduisant par une réduction de la déformabilité érythrocytaire, une augmentation de l’agrégation érythrocytaire et du seuil de désagrégation ; 4) une altération du système nerveux autonome marqué par un retrait de l’activité parasympathique, ce déséquilibre étant accentué au cours des CVO. Les travaux de cette thèse se traduisent par à une meilleure compréhension de la physiopathologie extrêmement complexe de la drépanocytose en précisant l’impact du stress oxydant dans le déclenchement des CVO, première cause d’hospitalisation des sujets drépanocytaires. Les données obtenues, qui mettent en évidence des marqueurs pertinents de ce stress oxydant au cours de la CVO du sujet drépanocytaire, pourront favoriser la mise en œuvre de nouvelles pistes thérapeutiques anti-oxydantes et une amélioration in fine de la prise en charge des patients. / Besides the primary defect of sickle cell disease, hemoglobin S (HbS) polymerization, other abnormal processes may contribute to the development of an inflammatory response and to an oxidative stress caused by traumatic hypoxia-reperfusion and autoxidation of HbS. The exacerbation of oxidative stress seems to participate actively in the pathophysiology of the disease and play a role in vaso-occlusive crisis (VOC). The aim of this thesis was to document the deleterious effects of oxidative stress on the red blood cell and its impact in the development of VOC. First, we have evaluated the impact of tert-butyl hydroperoxide-induced oxidative stress on blood rheology of SS and SC sickle cell patients. We have shown that sickle red blood cells (SS RBC) produce more free radicals in the presence of tert-butyl hydroperoxide (TBHP) than control subject red blood cells (AA RBC). Furthermore, SS RBC have a decreased anti-oxidant defense system. Induction of oxidative stress increases the rheological alterations already present in sickle cell patients (ie, decreased deformability, reduced aggregation, increased disaggregation threshold). In control subjects, oxidative stress induces an altered hemorheological profile close to that already present in sickle cell patients. These results suggest that oxidative stress by modulating the hemorheological abnormalities associated with sickle cell disease, could be one of the factors promoting the occurrence of sickle cell complications. Then, we have studied the impact of oxidative stress in the development of VOC, analyzing blood samples from SS patients in crisis and at steady state. 1) We have tested the hypothesis that the protein band 3 of RBC, is a major target of reactive oxygen species, which cause the appearance of senescence epitopes of this protein recognized by auto anti-band 3 antibodies; 2) We have evaluated pro- and anti-oxidants molecular and cellular markers; 3) We have studied the evolution of hemorheological parameters; 4) We have explored the activity of the autonomic nervous system, seen as a potential marker of severity. Our results show during VOC: 1) an exacerbation of the oxidative stress; 2) a decrease in anti-band 3 antibodies levels and an increase in the plasma concentration of erythrocyte microparticles, suggesting that these two processes are linked to the clustering phenomenon of band 3 protein triggered by oxidative stress; 3) an exacerbation of hemorheological abnormalities resulting in a reduction of SS RBC deformability, increased aggregation and disaggregation threshold; 4) an impairment of the autonomic nervous system marked by a withdrawal of parasympathetic activity and this imbalance is accentuated during VOC. This work allows a better understanding of the complex pathophysiology of sickle cell disease, highlighting the impact of oxidative stress in the development of VOC, the leading cause of hospitalization of sickle cell subjects. The data obtained, which reveal relevant markers of oxidative stress during VOC, could promote the implementation of new antioxidant therapeutic approaches and help improving sickle cell patients care.