Ce travail a été réalisé autour de cinq aspects de l’agrégation des globules rouges (RBCs) sanguins induite par des macromolécules. Une approche rhéologique, ciblée sur la normalisation de la viscosité en fonction du taux d’adsorption des macromolécules et mesurée par un rhéomètre commercial, est proposée. Par cette approche, la contrainte seuil de suspensions de cellules sanguines agrégées est aussi évaluée. De plus, les taux de sédimentation des solutions biologiques utilisées sont aussi mesurés. Nos données microscopiques, incluant des mesures d’indice d’agrégation microscopique, ont eu pour conclusion que la protéine C réactive, une protéine du plasma, n’a pas d’influence sur le phénomène d’agrégation des RBCs. Des mesures microscopiques détaillées de la morphologie des zones de contact des RBCs ont montrées que ces dernières dépendent fortement de la concentration de macromolécules, en accord avec des simulations numériques dont ont pu être extraites des valeurs d’énergie d’interaction. Ces dernières ont en outre pu être directement mesurées par microscopie à force atomique avec pour résultat supplémentaire que la viscosité du milieu peut influencer la mesure de manière significative. Enfin, l’origine physique de l’agrégation est discutée et confirmée par des mesures additionnelles. Ceci permet de concilier deux théories et permet d’expliquer la forme en cloche de l’énergie d’interaction en fonction de la concentration en macromolécules d’une nouvelle manière. / In this work, five aspects of the red blood cell aggregation induced by macromolecules are investigated. A rheological approach focused on the normalization of viscosity as a function of the macromolecular adsorption rates using a commercial rheometer is proposed. Derived from that approach, the yield stress of aggregating red blood cell suspensions is investigated. The sedimentation rates of the utilized biological system are then studied. Microscopical investigations, including measurements of the microscopical aggregation index, lead to the conclusion that the C-reactive protein, a plasma protein, does not influence the aggregation behavior of red blood cells. Detailed microscopical studies on the morphology of the interaction zones of aggregated red blood cells show that these strongly depend on the macromolecular concentration in good agreement with numerical simulations that allow to derive an approximation of the interaction energies. The latter are also directly measured with single cell force spectroscopy using an atomic force microscope with the additional result that the viscosity of the surrounding medium can influence the results significantly. Finally, the physical origin of aggregation is discussed and supported by several additional measurements. This allow to combine two existing theories and explain the bell-shape of interaction energy versus macromolecular concentration curve in a new way.

L'AE1 (SLC4A1) est un échangeur chlorure/bicarbonate. Cette protéine est la protéine membranaire la plus abondante à la surface des globules rouges des vertébrés. Elle est participe au transport du CO2 et à l'ancrage du cytosquelette à la membrane plasmique. Des mutations ponctuelles dans la partie membranaire de l'AE1, liées à des pathologies humaines, convertissent l'échange électroneutre en voie de conductance pour le sodium et le potassium ou induisent une fuite de cations dans un échangeur d'anions toujours fonctionnel. Les déterminants moléculaires qui induisent les mouvements d'ions au travers de cet échangeur sont encore inconnus. Le travail présenté a eu pour but d'identifier et de cartographier le site de transport de la protéine normale ou " pathologique ". Nous avons adapté à l'AE1 des outils basés sur la chimie des sulfhydriles capable de donner des informations sur le rôle d'acides aminés dans le site de transport de la protéine. Cette stratégie combinée à l'élaboration d'un modèle tridimensionnel de la protéine in silico basé sur le symporteur uracile/proton nous a permis de définir le site de transport de l'AE1. Nos résultats démontrent qu'un site de transport unique dans l'AE1 peut basculer entre 3 conformations différentes : échange chlorure/bicarbonate, fuite de cation et échange anionique ou fuite de cation uniquement. Ce site met en jeu les segments transmembranaires (TM) 3, 5 et 8 ainsi qu'une boucle intracellulaire très conservée située entre les TM 8 et 9. Le site de transport se structure autour des acides aminés L468, F471, L530, I533 et L673 se terminant au niveau du E681. La boucle intracellulaire 690 à 705 agissant comme un filtre à cations.

Les gouttes, les vésicules et les globules rouges sont des objets mous et déformables, structurés et de taille micrométrique (de 1 à 100 microns de diamètre). L'objectif de ce travail est de déterminer la participation de chaque paramètre mécanique des objets étudiés (tension de surface, élasticité, viscosité...) à partir de leur comportement sous écoulement. Nous avons choisi de nous intéresser tout particulierement à la réponse de ces objets sous écoulement confiné (ou semi-confiné) en utilisant une approche de type « microfluidique ». <br />La production de tensio-actif à la surface d'une goutte en mouvement influence sa forme et sa dynamique. L'étude détaille notamment les effets de la concentration et de la géométrie.<br />La mise au point de vésicules aux propriétés complexes modulables par l'action de la température est exposée. Nous avons aussi étudié l'impact de la transition sol/gel de la membrane lipidique de vésicules DMPC sur leur comportement sous champs externes (pression osmotique, écoulement...). <br />Dans le cas des globules rouges soumis à un cisaillement, deux types de mouvements sont connus : un mouvement de bascule et un mouvement de chenille de char. Nous avons mis en évidence l'existence d'un nouveau régime d'oscillations superposé au mouvement de chenille de char. Notre étude a également porté sur le comportement de globules rouges s'écoulant dans des canaux de dimension comparable a leur taille. Un diagramme de forme a été établi en fonction de la vitesse de l'objet, de la viscosité externe et de la section du capillaire. Nous avons développé un système mesurant la chute de pression associée au passage d'une cellule unique dans un canal de même dimension. Cette mesure permet notament de corréler le signal obtenu avec les propriétés physiques et mécaniques des objets étudiés. Nous avons illustré cette approche avec des globules blancs et des globules rouges. Nous nous sommes enfin intéressés au cas d'une suspension concentrée de cellules sanguines dans un écoulement pathologique: la thrombose.

L’AE1 (SLC4A1) est un échangeur chlorure/bicarbonate. Cette protéine est la protéine membranaire la plus abondante à la surface des globules rouges des vertébrés. Elle est participe au transport du CO2 et à l’ancrage du cytosquelette à la membrane plasmique. Des mutations ponctuelles dans la partie membranaire de l’AE1, liées à des pathologies humaines, convertissent l’échange électroneutre en voie de conductance pour le sodium et le potassium ou induisent une fuite de cations dans un échangeur d’anions toujours fonctionnel. Les déterminants moléculaires qui induisent les mouvements d’ions au travers de cet échangeur sont encore inconnus. Le travail présenté a eu pour but d’identifier et de cartographier le site de transport de la protéine normale ou « pathologique ». Nous avons adapté à l’AE1 des outils basés sur la chimie des sulfhydriles capable de donner des informations sur le rôle d’acides aminés dans le site de transport de la protéine. Cette stratégie combinée à l’élaboration d’un modèle tridimensionnel de la protéine in silico basé sur le symporteur uracile/proton nous a permis de définir le site de transport de l’AE1. Nos résultats démontrent qu’un site de transport unique dans l’AE1 peut basculer entre 3 conformations différentes : échange chlorure/bicarbonate, fuite de cation et échange anionique ou fuite de cation uniquement. Ce site met en jeu les segments transmembranaires (TM) 3, 5 et 8 ainsi qu’une boucle intracellulaire très conservée située entre les TM 8 et 9. Le site de transport se structure autour des acides aminés L468, F471, L530, I533 et L673 se terminant au niveau du E681. La boucle intracellulaire 690 à 705 agissant comme un filtre à cations. / AE1 (SLC4A1, band 3) is a member of the SLC4 bicarbonate transporter family. This protein is the most abundant membrane protein on the surface of vertebrate red blood cells. The AE1 exchanges chloride and bicarbonate ions in physiological conditions. In red blood cells, it is essential to many tasks including CO2 transport and cytoskeleton anchoring in the plasma membrane. Point mutations in the membrane spanning domain of AE1 convert the electroneutral exchange into a conductance for sodium and potassium cations or induce a cation leak in a still functional anionic exchanger.The molecular determinants that induce the movement of ions through the exchanger are still unknown. This work aims at identifying and mapping the transport site of AE1 protein in normal and pathological conditions. We modified a sulfhydryl-based chemistry to AE1. This provided information on the role of amino acids in the transport site of the protein. This strategy combined with the development of a three-dimensional model of the protein in silico, based on the uracil/proton symporter, allowed us to define the transport site of AE1. Analysis of our results showed that a single transport site in AE1 can switch between three different conformations depending on protein mutation: classical chloride/bicarbonate exchange, cation leak and anion exchange, cation leak only. The transport site involves the transmembrane segments 3, 5 and 8 and a highly conserved intracellular loop between transmembrane segments 8 and 9. The transport site is centered around the amino acids L468, F471, L530, L673, I533 and ends at glutamic acid 681. The intracellular loop 690-705 acts as a cation filter.

La forte prévalence des hémoglobinopathies, notamment l'HbAS, l'HbC et l'α-thalassémie dans des zones d'endémie palustre est considérée comme la conséquence de la protection qu'elles procurent contre les formes létales du paludisme. De nombreux mécanismes ont été évoqués pour expliquer cette protection, ne sont pas cohérentes avec toutes les observations épidémio-cliniques disponibles. La première partie de ces travaux de thèse a abordé la réduction de la cytoadhérence des globules rouges (GR) parasités comme mécanisme potentiel commun aux trois hémoglobinopathies. Pour explorer plus en profondeur ce mécanisme, nous avons mené une étude comparative des phénotypes de cytoadhérence des isolats primaires de P. falciparum obtenus chez des patients HbAS et HbAC et HbAA. Cela avait pour but de déterminer si l'HbAS et l'HbAC jouaient un rôle dans la sélection et le maintien des souches virulentes de P. falciparum dans la nature. La deuxième partie de la thèse a concerné l'influence du trait drépanocytaire (HbAS) sur la déformabilité des GR non parasités d'une part et sur la rétention splénique des GR non parasités et parasités par les formes jeunes de P. falciparum d'autre part. Nous avons observé que l'adhésion des GR parasités aux cellules endothéliales micro-vasculaires humaines ainsi qu'aux monocytes était réduite avec les GR α-thalassémiques par rapport aux GR HbAA. Aucune différence statistiquement significative n’a en revanche été observée entre les profils de cytoadhérence des isolats primaires de P. falciparum issus de sujets HbAA, HbAS ou HbAC. L’étude de la déformabilité des GR a montré que les GR HbAS sont légèrement mais significativement moins déformables que les GR HbAA. En revanche, les GR HbAS parasités par les jeunes parasites de P. falciparum (anneaux) n’étaient pas plus retenus que leurs homologues HbAA dans la rate humaine isolé perfusée ex vivo, ou en microsphiltration, quelles que soient les conditions d’oxygénation. Nous n’avons observé aucune différence au niveau du taux de falciformation entre les GR parasités et non parasités que ce soit avec les GR HbAS ou avec les GR HbSS. En conclusion, nous proposons que la réduction de la cythoadhérence et la rétention splénique des GR contenant les formes matures de P. falciparum constituent un mécanisme commun à la protection des sujets HbAS, HbC et α-thalassémiques contre le paludisme. Ces deux phénomènes interconnectés peuvent rendre compte de l’ensemble des observations épidemio-cliniques disponibles sur la protection conférée par ces hémoglobinopathies. / The high prevalence of several inherited hemoglobin disorders, namely sickle cell trait (HbAS), HbAC and α-thalassemia, in malaria endemic areas is thought to be the consequence of their protective effects against malaria life-threatening manifestations. Numerous potential mechanisms have been proposed to explain this protective effect although many of them are not fully consistent with all available epidemiologic and clinical data. The first part of this thesis work explored the reduction of cytoadherence of infected RBC as a potential common mechanism for α-thalassemia-, HbAS- and HbAC-induced protection against malaria. To further explore this mechanism, and determine whether HbAS and HbAC select and maintain virulent P. falciparum parasite in nature, we compared the cytoadherence phenotype of P. falciparum isolates obtained from HbAS/HbAC and controls HbAA patients. The second part of the thesis work addressed the influence of HbAS on the deformability of uninfected RBC as well as the splenic retention of both uninfected RBCs and ring-infected RBCs. We observed a reduced adherence of α-thalassemic infected RBCs to human micro-vascular endothelial cells and monocytes compared to controls HbAA infected RBCs. The reduction was correlated to the number of non functional α- gene. Expression of PfEMP-1 on the surface of α- thalassemic infected RBCs was lower than on the surface of HbAA infected RBCs. There was no statistically significant difference between the cytoadherence of P. falciparum isolates obtained either from HbAS/HbAC or control HbAA malaria patients. The deformability of uninfected HbAS RBCs was slightly but significant lower than that of control uninfected HbAA RBCs. Retention rates of ring-infected HbAS and HbAA RBCs were similar either in human isolated spleen perfusion ex vivo and in microsphilters in vitro regardless of the oxygenation level. We did not observe any enhanced sickling of ring-infected RBCs compared to non infected RBCs, both in HbAS and HbSS samples. Based on these results along with available epidemiologic and previous experimental data, we propose a common malaria-protective mechanism of HbAS, HbAC and α-thalassemia whereby these hemoglobin disorders reduce the cytoadherence of mature P. falciparum-infected RBCs that stay in circulation where they are exposed to an enhanced splenic retention. These 2 mechanisms would act in conjunction to slower the rise of parasites loads in infected patients and protect them from sequestration-related complications of malaria.

Le paludisme est causé par un parasite appelé Plasmodium falciparum, transmis lors de la piqûre d'un moustique. Au stade sanguin, ce parasite unicellulaire, de forme ovoïde, envahit les globules rouges, s'y multiplie avant d'être libéré pour une nouvelle invasion à la fin d'un cycle de 48 heures. Ce travail de thèse porte sur le mouvement du parasite au cours du processus d'invasion. L'étape préalable à la pénétration du parasite dans sa cellule hôte est le mouvement de réorientation permettant de mettre en contact son complexe apical avec la membrane de la cellule hôte. Afin de comprendre comment le parasite génère les mouvements nécessaires à cette réorientation sans l'aide de flagelle, de cil ou de déformation, notre approche est d'observer et de décrire le mouvement des parasites sur un substrat rigide, au travers d'une analyse détaillée des trajectoires du parasite. Nous observons que le parasite explore tous les degrés de liberté qui lui sont accessibles compte tenu de son attachement au substrat: translation et rotation dans le plan et réorientation de sa partie apicale. Nous avons identifié trois types de mouvement: confiné, dirigé et circulaire. Nous caractérisons ces trajectoires et mouvements en utilisant une analyse de corrélation et en discutant les mécanismes possibles à l'origine de ces trajectoires particulières. Enfin, nous examinons le rôle des constituants du cytosquelette sur le mouvement du parasite, en affectant spécifiquement les filaments d'actine et les microtubules. Les conséquences de la polymérisation de ces structures sur le mouvement du parasites sont discutées. / Malaria is caused by a parasite called Plasmodium falciparum, transmitted via mosquito's bites. At the blood stage, these unicellular ovoidal parasites invade red blood cells (RBCs), multiply and are released at the end of a 48h cycle, ready for new invasions. This work is focused on the motion of the parasite during the invasion process. To penetrate into the host cell, the parasite reorient its apical part towards the RBC membrane. For this purpose, the parasite generates different movements that allow him to find the correct position to form a specific junction to invade the cell. To understand how the parasite is able to move and reorient without the aid of cilia, flagella or deformations, we performed a detailed analysis of the parasite trajectories and orientation on rigid substrate. We observe that the substrate-attached parasite explores all degrees of freedom with in-plane rotation, translation and flipping. Three types of motion have been identified: confined, directed circular . We characterize these trajectories and motions using correlation analysis and we discuss the possible mechanisms that could explain these peculiar trajectories. Finally, to determine the role of the cytoskeleton components in the parasite motion, specific structures such as the actin filaments and the microtubules have been specifically affected. We will describe and discuss the consequences of depolymerizing or stabilizing these structures.

Cette thèse traite de la dynamique de cellules sanguines dans la microcirculation. Cette appellation regroupe les deux thématiques de mon travail. La première est l'étude du mouvement de globules rouges soumis à un écoulement de cisaillement. Prenant la suite des travaux réalisés par Manouk Abkarian, Magalie Faivre et Annie Viallat, nous avons étudié le mouvement de cellules dans un flux oscillant et mis en évidence l'apparition de chaos (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010)). Nous avons ensuite repris l'étude sous écoulement constant pour comprendre les régimes de mouvement encore non étudiés (article accepté à PNAS). Tous ces travaux se basent sur un modèle à forme ellipsoïdale constante (type Keller & Skalak) auquel a été rajouté un terme tenant compte de l'élasticité de la membrane. Pour mieux modéliser la mémoire de forme, nous avons recalculé les équations du modèle en tenant compte d'une nouvelle forme non contrainte du cytosquelette élastique. Elle nous permet entre autres d'ajuster le modèle aux données expérimentales en utilisant des valeurs de viscosité et de module élastique de cisaillement compatibles avec la littérature. Le deuxième partie traite de l'étude du mouvement de globules blancs dans un réseau de canaux microfluidiques. Ce réseau est régulier et possède des dimensions biomimétiques. Nous étudions comment la rhéologie des cellules influe sur leur mouvement à travers le dispositif. Nous montrons que l'entrée des cellules, et donc leur première déformation, peut être utilisée pour obtenir des informations sur leur rhéologie (viscosité, élasticité, tension). / This thesis deals with dynamics of blood cells in microflow. This title regroups two aspects of my work. The first one studies the movement of red blood cells (RBC) under flow. Continuing the work done by M. Abkarian, M. Faivre and A. Viallat, we looked at RBCs in an oscillating shear flow and showed the presence of chaos in the motion (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010) ). Then we continued the study of RBC under constant flow to understand the regime of motion that were still to elucidate (PNAS, accepted for publication). These works use a ellipsoidal fixed shape model (based on Keller and Skalak's) to which we add an elastic membrane term. To take into account the shape memory, we calculated again the equations of motion considering a new stress-free shape of the elastic cytoskeleton. It allows us to fit the model on the experimental data using viscosity and elasticity coefficient compatible with the litterature. The second part deals with the motion of white blood cell (WBC) in a microfluidic channel network. The device has a regular geometry and has biomimetic shape characteristics matching the human lung mean values. We aim to study how the cell's rheology is related to their motion through the device. We show how the entry of the cell, and thus their first deformation, can be used to obtain information about a single cell rheology (viscosity, elasticity, tension). The motion is then decomposed in 2 phases : a transient regime right after the entrance and a final stationary regime. We study these regimes in terms of cellular deformation and wall friction.

Dans la partie "adhésion", nous avons montré que la dynamique d'adhésion<br />de vésicules induite par des ligands spécifiques était gouvernée soit par la diffusion<br />de ligands dans la membrane, soit par le temps de réaction entre le ligand et le<br />récepteur, dépendant de la préparation chimique des surfaces. Au contraire, les<br />premières étapes de l'adhésion de cellules semblent être contrôlées par la<br />dissipation visqueuse à l'intérieur de la cellule.<br />Dans la partie "tubes de membrane", nous avons étudié la formation et<br />l'élongation de tubes de membrane. Tout d'abord, en formant des tubes à partir de<br />vésicules adhérées, nous avons montré que l'élongation des tubes s'accompagne<br />d'un étirement élastique de la membrane. Ensuite, en analysant expérimentalement<br />et théoriquement l'interaction et la coalescence de deux tubes membranaires, nous<br />avons proposé une méthode pour déterminer la rigidité de courbure de vésicules<br />lipidiques. Enfin, nous avons revisité la description mécanique de tubes extraits de<br />globules rouges et nous avons mis en évidence un comportement rhéofluidifiant de<br />la membrane durant l'élongation, indiquant l'influence du squelette de spectrine.

Les vésicules sont des bicouches fermées de molécules tensioactives, remplies de liquide, à l'intérieur d'un autre liquide. Leur taille peut être comprise entre dix et 100 microns : elles sont alors dites géantes. Nous nous intéressons à la dynamique de deux de ces objets dans un cisaillement simple, c'est à dire l'écoulement d'un liquide situé entre deux plaques planes se translatant l'une par rapport à l'autre à vitesse et distance constante. Nous commençons par une étude asymptotique, pour des vésicules quasi-sphériques en interaction lointaine. Nous utilisons ensuite un code de calcul basé sur la méthode des éléments de frontière pour étudier le cas de vésicules moins sphériques et plus proches, et comparons les résultats obtenus avec des expériences. Nous présentons enfin comment cette étude peut être utilisée pour prédire certaines propriétés de diffusion d'une suspension de vésicules, dans le régime semi-dilué, où seul le détail des interactions à deux corps est considéré.

La microcirculation sanguine est un système constitué de réseaux complexesde vaisseaux sanguins de diamètres micrométriques. C’est le lieu privilégié deséchanges de gaz et de nutriments entre le sang et les tissus.Les écoulements dans ces réseaux sont gouvernés par les propriétés des constituantsdu sang c’est-à-dire des cellules en suspension dans du plasma et plus particulièrementdes globules rouges qui sont les cellules majoritaires dans le sang.Selon les conditions de l’écoulement, les globules rouges, qui sont des particulesdéformables, peuvent présenter différents types de formes et de dynamiques quiinfluencent la rhéologie de la suspension. Les interactions hydrodynamiques entreglobules rouges et avec les parois dans les vaisseaux confinés influencent égalementles écoulements à travers des phénomènes de diffusion mais aussi de structurationdes globules au sein de la suspension. Il a notamment été montré que des couchesde plasma dépourvues de globules rouges près des parois des vaisseaux sanguins induisentune diminution de la viscosité effective de la suspension lorsqu’on diminuele diamètre du vaisseau. Par ailleurs, des structurations en file ont également étéobservées dans la microcirculation sanguine avec des conséquences probables surla rhéologie. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons investigué les propriétésrhéologiques de suspensions de globules rouges en micro-écoulement grâce à uneméthode de rhéométrie microfluidique. Nous avons focalisé notre attention sur larelation entre la rhéologie et la structuration de la suspension dans un canal, liéeau confinement ainsi qu’aux régimes dynamiques des globules en écoulement.Dans certains cas pathologiques comme la drépanocytose où les propriétés desglobules rouges peuvent être modifiées, les écoulements dans la microcirculationpeuvent être perturbés et conduire à des crises vaso-occlusives dont les mécanismesphysiques restent mal compris. Nous avons exploré la dynamique de formationd’occlusions et leurs évolutions dans des réseaux de canaux micrométriques modèlesavec des suspensions de globules rouges dont les propriétés ont été modifiées,révélant ainsi une dynamique complexe où l’adhésion et des effets d’obstructionsinterviennent. / Blood microcirculation consists in blood flowing in complex microvessel networks.Gas and nutrient exchanges between blood and tissues occur in these networks.Microcirculatory blood flows are governed by the properties of blood components,mainly red blood cells suspended in plasma. Red blood cells are deformableparticles which can exibit different shapes and motion dynamics that influence therheology. Hydrodynamic interactions between red blood cells and with walls of theconfined channels lead to diffusion and structuration in the suspension that alsoaffects the rheology. Plasma cell-free layers near walls observed in the microcirculationinduce a decrease of the effective viscosity with decreasing vessel diameter.Other types of structuration like layering of red blood cells have been observed inthe microcirculation with possible rheological consequences. In the present work,we investigated the rheology of confined red blood cell suspensions and focusedon the link between rheology and structuration of the suspension thanks to amicrofluidic viscosimeter.The sickle cell disease which modifies the properties of red blood cells leadsto flow disorders with the formation of occlusions in the narrow capillaries ofthe microcirculation. We explored the formation and the evolution of occlusionsin simplified networks of microchannels when properties of red blood cells aremodified, revealing complex dynamics where adhesion and jamming effect occur.