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.

La famille des protéines MIPs est composée de canaux hydriques et de facilitateurs de glycérol. Parmi les canaux hydriques, certains sont sélectivement perm&ables à l'eau, les aquaporines (AQP1, AQP2,...), et les autres sont également perméables aux petits solutés comme le glycérol: les aquaglycéroporines, dont AQP3 fait partie. Nous avons montré dans un premier temps que la perméabilité au glycérol du globule rouge était due à la présence d'AQP3. Dans l'intention de mieux connaître quels étaient les éléments protéiques impliqués dans la sélectivité des protéines MIPs, nous avons construit des chimères entre AQP2 et AQP3. L'une d'entre elle, AQP3-AQP2 Cter, après expression dans l'ovocyte de Xénope, a permis de montrer que la partie C terminale cytoplasmique est impliquée dans le transport d'eau mais pas dans le transport de glycérol d'AQP3. Nous avons également montré que les ovocytes de xénope non matures possédaient des perméabilités à l'eau et au glycérol supérieurs à celles des ovocytes matures suggérant l'expression d'un canal ou d'un transporteur endogène. Enfin, nous avons envisagé de déterminer pour la première fois la structure quaternaire d'une aquaglycéroporine: AQP3. Alors qu'AQP1 dévoile sa forme tétramérique sur gradient de saccharose, après solubilisation en conditions non dénaturantes, AQP3 sédimente dans des fractions plus légères sous forme d'un monomère et d'un dimère très résistant au SDS et aux agents réducteurs hydrophiles. Nous n'avons pu conclure quant à son organisation dans les membranes du fait de son éventuelle sensibilité spécifique aux détergents non dénaturants utilisés. Nous avons donc engagé des études de microscopie électronique de cryofractures de membranes d'ovocytes exprimant AQP1 et AQP3. Nous en avons déduit que la taille d'AQP3 n'était pas suffisamment différente de celle d'AQP1 pour suggérer une organisation membranaire également différente.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Plusieurs études ont démontré une association entre l’agrégation érythrocytaire du milieu sanguin et plusieurs anomalies hémorhéologiques. Cette agrégation peut être quantifiée à l'aide du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Pour décrire l’interaction entre l'onde ultrasonore et les tissus biologiques, on se sert de modèles. Ainsi, le modèle de facteur de structure (MFS) est utilisé pour évaluer le coefficient de rétrodiffusion des globules rouges agrégés. Toutefois, ce modèle numérique ne permet pas des mesures en temps réel du niveau d’agrégation et n'informe pas sur la structure du milieu sanguin comme par exemple la taille de l’agrégat. Pour pallier à ces difficultés, nous proposons un modèle où la théorie du milieu effectif est combinée au modèle de facteur de structure. Tout en permettant une mesure en temps réel de l’agrégation, ce modèle nommé TMEMFS fournit en plus deux indices structuraux de l’agrégation: le rayon de l’agrégat ainsi que sa compacité. Par le biais de simulations numériques en 3D, on a comparé le coefficient de rétrodiffusion suivant les modèles MFS et TMEMFS. Ceci dans le but de vérifier que dans la solution du problème direct, les propriétés acoustiques des globules rouges et les propriétés structurales du milieu agrégeant correspondaient à la réalité. Pour simuler des agrégats de globules rouges, une disposition hexagonale compacte a été utilisée. Les effets du rayon et de la compacité sur le coefficient de rétrodiffusion ont été étudiés. Basé sur la microstructure sanguine considérée, les résultats obtenus avec le modèle TMEMFS sont semblables à ceux du modèle MFS. Ce travail constitue un support théorique pour une mesure quantitative in vivo de l’agrégation érythrocytaire à des fins diagnostics. / Many studies have reported that an enhanced level of red blood cell aggregation is associated with the presence of hemorheological disorders. Pathological aggregation has been characterized by quantitative ultrasound based on the backscattering coefficient. In order to describe the interaction between the incident ultrasound and the interrogated biological tissues, mathematical models are used. Mathematical modeling is known to be the optimal way to describe the interaction occurring between ultrasound and tissues at the cellular level. The structure factor model (SFM), considered as the exact scattering model has been developed to predict the backscattering coefficient from blood. However, the numerical SFM cannot be applied in real time for practical measurements and does not provide aggregate size to assess the level of aggregation. Therefore, we come up with a new model based on the effective medium theory in order to tackle this difficulty. The effective medium theory combined with the structure factor model (EMTSFM) can be applied in real time and contrary to the SFM provides two indices of the aggregate state in vivo: aggregate size and compactness. Based on a 3D simulation study, the backscattering coefficients (BSCs) predicted by the effective medium theory combined with the Structure Factor Model (EMTSFM) are compared to the BSCs computed with SFM. Our aim here is to assess the accuracy of the EMTSFM against the SFM by comparing their BSC in the framework of a forward problem, i.e., the calculation of the BSC from the known acoustic and structure aggregate parameters. This was done in order to validate the proposed model. To simulate aggregates, RBCs are stacked following a hexagonal close packing scheme. The influences of the aggregate radius and compactness on the BSC are studied as well. The results showed good agreement between the SFM and the EMTSFM based on our simulated microstructure of RBC aggregates. Our work provides thus the theoretical background to assess locally the aggregation level for diagnosis purposes. / Le travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de mécanique acoustique de Marseille, France. Les simulations ont été menées avec les langages Matlab et C. Ce projet s'inscrit dans le champ de recherche dénommé caractérisation tissulaire par ultrasons.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des phénomènes jouant un rôle dans la mesure effectuée dans un analyseur sanguin, en particulier le comptage et la mesure de volumétrie d'une population de globules rouges reposant sur l'effet Coulter. Des simulations numériques sont effectuées dans le but de prédire la dynamique des globules rouges dans les zones de mesure et pour reproduire la mesure électrique associée, servant au comptage et à la volumétrie des cellules. Ces simulations sont effectuées à l'intérieur de configurations industrielles d'analyseur sanguin, en utilisant un outil numérique développé à l'IMAG, le solveur YALES2BIO. En utilisant la méthode des frontières immergées avec suivi de front, un modèle de particule déformable est introduit, celui-ci prend en compte le contraste de viscosité ainsi que les effets mécaniques de la courbure et de l'élasticité sur la membrane. Le solveur est validé grâce à de nombreux cas tests parcourant différents régimes et effets physiques. L'écoulement fluide dans cette géométrie d'analyseur sanguin est caractérisée par un fort gradient de vitesse axial dans la direction de l'écoulement, impliquant la présence d'un écoulement extensionnel au niveau du micro-orifice, là où a lieu la mesure. La dynamique des globules rouges est étudiée par des simulations numériques pour différentes conditions initiales, telles que sa position ou son orientation. Il est observé que les globules rouges vont se réorienter selon l'axe principal de l'analyseur sanguin dans tous les cas. Pour comprendre le phénomène, des modèles analytiques sont adaptés au cas des écoulements extensionnels et reproduisent correctement les tendances de réorientation.Cette thèse présente également la reproduction de la mesure électrique utilisée pour le comptage et la mesure de la distribution des volumes de globules rouges. De nombreuses simulations de la dynamique des globules rouges sont effectuées et utilisées pour générer l'impulsion électrique correspondant au passage du globule rouge dans le micro-orifice. Les amplitudes d'impulsions électriques résultantes permettent la caractérisation de la réponse électrique en fonction des paramètres initiaux de la simulation par une approche statistique. Un algorithme de Monte-Carlo est utilisé pour la quantification des erreurs de mesure liées à l'orientation et la position des globules rouges dans le micro-orifice. Ceci permet la génération d'une distribution de volume mesurée pour une population de globules rouges bien définie et la caractérisation des erreurs de mesure associées. / The aim of this thesis is to improve the understanding of the phenomena involved in the measurement performed in a blood analyzer, namely the counting and sizing of red blood cells based on the Coulter effect. Numerical simulations are performed to predict the dynamics of red blood cells in the measurement regions, and to reproduce the associated electrical measurement used to count and size the cells. These numerical simulations are performed in industrial configurations using a numerical tool developed at IMAG, the YALES2BIO solver. Using the Front-Tracking Immersed Boundary Method, a deformable particle model for the red blood cell is introduced which takes the viscosity contrast as well as the mechanical effects of the curvature and elasticity on the membrane into account. The solver is validated against several test cases spreading over a large range of regimes and physical effects.The velocity field in the blood analyzer geometry is found to consist of an intense axial velocity gradient in the direction of the flow, resulting in a extensional flow at the micro-orifice, where the measurement is performed. The dynamics of the red blood cells is studied with numerical simulations with different initial conditions, such as its position or orientation. They are found to reorient along the main axis of the blood analyzer in all cases. In order to understand the phenomenon, analytical models are adapted to the case of extensional flows and are found to reproduce the observed trends.This thesis also presents the reproduction of the electrical measurement used to count red blood cells and measure their volume distribution. Numerous dynamics simulations are performed and used to generate the electrical pulse corresponding to the passage of a red blood cell inside the micro-orifice. The resulting electrical pulse amplitudes are used to characterize the electrical response depending on the initial parameters of the simulation by means of a statistical approach. A Monte-Carlo algorithm helps quantifying the errors on the measurement of cell depending on its orientation and position inside the micro-orifice. This allows the generation of a measured volume distribution of a well defined red blood cell population and the characterization of the associated measurement errors.

Les globules rouges (GR) jouent un rôle clé dans l’exercice de fonctions physiologiques du corps humain. Dans la microcirculation, par exemple, où ils s’écoulent dans des capillaires de diamètre comparable à leurs mêmes dimensions, les érythrocytes sont responsables de l’échange d’oxygène et nutriments avec les tissus. Il a été montré dans de nombreux articles scientifiques que des dysfonctionnements dans les propriétés des GRs et des dommages du tissu endothélial, en particulier au niveau de la couche de glycoprotéines qui le recouvre (glycocalyx), sont la cause principale des maladies vasculaires telles que la thrombose, le diabète et l’athérosclérose. En conséquence, la connaissance des propriétés mécaniques et rhéologiques qui permettent aux érythrocytes de se déformer et de s’organiser en agrégats dans les vaisseaux sanguins permettrait de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la circulation du sang et, par conséquent, de faciliter le diagnostic des états pathologiques.Dans cette thèse l’attention s’est concentrée sur deux thèmes principaux : l’agrégation des GRs pendant l’écoulement dans les microcapillaires et la fonction du glycocalyx dans la microcirculation. Même si le sujet est à la fois essentiel et d’intérêt scientifique considérable, une analyse quantitative de la formation d’agrégats de GRs (cluster) n’avait pas encore été réalisée. Dans une première phase de ce projet de thèse des expériences in vitro ont été réalisées sur des suspensions de GRs avec un hématocrite d’environ 10%, afin d’observer leur tendance à s’agréger au cours du déplacement dans des tubes en verre de diamètre égal à 10 µm. Ce comportement a été évalué en fonction de la pression imposée et du temps de résidence dans de microcanaux, en mesurant la longueur des clusters et leur composition numérique. Le but principal a été comprendre le type d’interaction entre les cellules composantes un cluster : il s’agit d’une interaction purement hydrodynamique ou des autres forces sont également impliquées ? Les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse clairement montrent que la véritable force motrice du phénomène est la pression imposée dans les capillaires. Cette approche microfluidique permet de jeter les bases pour le développement de dispositifs cliniques et diagnostiques.Dans la deuxième partie du projet, une campagne expérimentale a été réalisée sur microcapillaires en verre revêtus de brosses de polymères, afin de simuler les conditions in vivo dans la microcirculation. Il a été établi avec certitude que le lumen des vaisseaux sanguins est recouvert d’une couche de glyco-polymères (glycocalyx) liés à la membrane des cellules endothéliales qui tapissent leurs parois. La compréhension du rôle hydrodynamique du glycocalyx est essentielle pour expliquer le lien entre le dysfonctionnement cette couche et le maladies vasculaires et pour développer des tests basés sur la microfluidique, capable de représenter correctement les interactions entre les parois et le composants sanguins. Des couches nanométriques de poly-hydroxyéthylméthacrylate (pHEMA) ont été produites par ce qu’on appelle la technique grafting-from et, après une caractérisation approfondie, utilisées pour revêtir les surfaces internes de canaux en verre de 10 µm de diamètre. Dans cette thèse, nous présentons les profils de vitesse obtenus en étudiant la circulation dans des tubes recouverts avec brosses de différentes épaisseurs. On montre que il y a une augmentation de la résistance à l’écoulement dans les canaux recouverts et que la réduction de la vitesse est significativement plus grande par rapport à ce qui se produirait à la suite d’une simple réduction géométrique du lumen disponible. De plus, à partir de l’observation de l’écoulement de GRs à l’intérieur des microcapillaires recouverts par les brosses de polymère, il a été constaté que la vitesse et la déformabilité des GRs dépendent strictement de la présence de la bio-couche sur les parois des microtubes. / The investigation of red blood cells (RBCs) dynamics in blood circulation is one of the most innovative and intriguing challenge of science nowadays since erythrocytes are involved in fundamental physiological functions of human body. In particular, RBCs play a key role in microcirculation where narrow dimensions of vessels (comparable to cell size) promote a close contact between cells and capillary walls and, as a consequence, the exchange of oxygen between blood and tissues. It is well established in scientific literature that disorders in RBCs properties and damages of endothelium are the main causes of common vascular diseases, such as thrombosis, diabetes and atherosclerosis. Thus, the full understanding of mechanical and rheological properties of RBCs would allow not only to shed light on the mechanisms leading blood circulation, but also to develop increasingly reliable diagnostic devices. In this thesis, the attention is mainly focused on two topics: RBCs aggregation in microcapillaries and the role of glycocalyx in microcirculation. As regards the first theme, despite the considerable scientific importance, a quantitative analysis of RBCs aggregates formation (clustering) in microvessels is still lacking. In a first phase of the project, experimental investigations in vitro have been performed on RBCs suspensions with hematocrit almost equal to 10% to observe their tendency to aggregate during the flow in glass microtubes (diameter equal to 10 µm). RBCs aggregation has been evaluated as a function of the fixed pressure drop (Δp) and the residence time in microchannels by measuring clusters length and their statistical composition. The main aim of the experiments was to clarify the nature of the force acting on consecutive cells in a cluster: is it a pure hydrodynamic interaction or are other kinds of forces involved too? The experimental results presented in this thesis clearly show that the driving force of the phenomenon is the imposed Δp in the microtubes. The outcomes of these investigations suggest that microfluidics can represent an efficient means to develop clinical and diagnostic tests on healthy and pathological blood.In the second part of the thesis, an experimental campaign was performed on glass capillaries lined with polymer brushes to mimic in vivo conditions in microvascularity. Several scientific papers show that the lumen of vascular vessels is coated by a layer of glycopolymers linked to the endothelial cells. The full understanding of the hydrodynamic role of glycocalyx is essential to elucidate the link between its dysfunctions and vascular diseases. Moreover, it would be helpful to develop innovative clinical tests by microfluidics that could take in account the interactions between “hairy” walls and blood components. Nanometric brushes of poly-hydroxyethylmethacrylate (p-HEMA) have been produced by a grafting-from technique and, after characterization, they have been used to line internal surfaces of silica capillaries with 10 µm diameter. Here, we present the experimental results obtained by measuring velocity profiles in glass channels bearing polymer brushes of different thickness. An increasing flow resistance is observed in hairy channels as a function of brush thickness. The measured velocity decrease is significantly higher than expected from a simply geometrical reduction of the available capillary lumen. Furthermore, the observation of RBCs flow in such brush-coated channels reveals that cells velocity and deformation are closely depending on the presence of the bio-layer on the internal walls of the capillaries.

Dans cette thèse, les propriétés rhéologiques du sang sont étudiées suivant deux approches differentes. Les propriétés de l'écoulement du plasma sont analysées selon trois modes différents : sous cisaillement, en extension et en constriction. Jusqu'à présent, le plasma était considéré comme un fluide newtonien, et le comportement complexe du sang était simplement attribué à la présence des globules rouges. Les expériences menées ont montré un comportement visco-élastique du plasma, que doit désomais être pris en compte dans les études futures. La deuxième axe traite des globules rouges. Leur assemblage en agrégats rectilignes est à l'origine du comportement rhéofluidifiant, mais les causes de la formation des agrégats restent encore vagues. L'énergie d'interaction entre deux cellules et la distribution des tailles des clusters dans des canaux microfluidiques ont été mesurées en présence de dextran et de fibrinogène. Comme les agrégats sont normalement cassés à des taux de cisaillement élevés, on a cru qu'ils ne jouaient pas de rôle dans l'écoulement du sang. Mais le fait que le nombre de clusters augmente à des concentrations physiologiques de fibrinogène, même pour des taux de cisaillement correspondant à ceux du système microvasculaire, il est clair que l'agrégation ne peut pas être négligée dans la description de l'écoulement du sang en le réseau capillaire. / In this work, the rheological properties of human blood are investigated by two different approaches. The flow properties of plasma, the liquid component of blood, is analyzed under three different conditions: shear flow, elongational flow and contraction flow. Up to now, the plasma was considered as a Newtonian fluid, while the non-Newtonian properties of blood were only attributed to the red blood cells. The performed experiments reveal a viscoelastic behavior of the plasma which has to be considered in future studies. In addition to the plasma, also diluted polymer solutions are analyzed in order to find a good model solution for plasma. The second part concerns the red blood cells. Their adhesion to linear aggregates is held responsible for the well-known shear thinning behavior of blood but the reason for the cluster formation is still not clear. The interaction energy between two red blood cells and the distribution of different sized clusters flowing through narrow channels are measured under the influence of the two macromolecules dextran and fibrinogen. As the aggregates are actually broken at high shear rates, the current understanding is that they would not play a role for the properties of blood flow. However, an increased amount of clusters at physiological fibrinogen concentrations can be shown, even at shear rates which are common in the microvascular system, which clarifies that the aggregation cannot be neglected in the description of blood flow through the capillary network.

Cette thèse traite plusieurs aspects scientifiques inhérents à la simulation numérique de problèmes d'interaction fluide-structure impliquant de fines membranes déformables. Deux cas spécifiques relatifs à la biomécanique cardiovasculaire sont considérés : l'interaction de l'écoulement sanguin avec la valve aortique (qui se produit à l'échelle macroscopique), et l'interaction de la membrane des globules rouges avec ses fluides interne et externe (qui se produit à l'échelle microscopique). Dans les deux cas, le couplage fluide-structure est géré par l'intermédiaire d'un formalisme de frontières immergées, en représentant la membrane par un maillage Lagrangien se mouvant au travers d'un maillage fluide Eulérien. Lorsque l'on traite la dynamique des globules rouges, la membrane est considérée comme étant une structure sans masse et infiniment fine. La première question à laquelle on s'intéresse dans cette thèse est la manière de modéliser la microstructure complexe de la membrane des globules rouges. Un moyen possible pour caractériser un modèle de membrane adapté est de simuler l'expérience des pinces optiques, qui consiste en une configuration expérimentale bien contrôlée qui permet d'étudier la mécanique individuelle d'un globule rouge isolé dans une large gamme de déformations. Plusieurs modèles pertinents sont identifiés, mais les caractéristiques de déformation mesurées durant l'expérience des pinces optiques se révèlent n'être pas assez sélectives pour être utilisées dans un contexte de validation. Des mesures de déformation additionnelles sont proposées, qui pourraient permettre une meilleure caractérisation de la mécanique de la membrane des globules rouges. En ce qui concerne les configurations macroscopiques, une méthode numérique innovante est proposée afin de gérer des simulations numériques de membranes 3D continues, en conservant le formalisme de frontières immergées. Dans cette méthode, appelée méthode des frontières immergées épaisses, la membrane a une épaisseur finie. La précision et la robustesse de la méthode sont démontrées par l'intermédiaire d'une variété de cas tests bien choisis. La méthode proposée est ensuite appliquée à un problème d'interaction fluide-structure réaliste, à savoir l'interaction d'un écoulement (sanguin) pulsé avec une valve aortique biomimétique. Une étude combinée expérimentale et numérique est menée, montrant que la méthode est capable de capturer la dynamique globale de la valve, ainsi que les principales caractéristiques de l'écoulement en aval de la valve. Tous les développements ont été effectués dans le solveur YALES2BIO (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) développé à l'IMAG, qui est donc disponible pour toutes autres améliorations, validations et études applicatives. / This thesis deals with several scientific aspects inherent to the numerical simulation of fluid-structure interaction problems involving thin deformable membranes. Two specific cases relevant to cardiovascular biomechanics are considered: the interaction of the blood flow with the aortic valve (which occurs at the macroscopic scale), and the interaction of the red blood cells membrane with its inner and outer fluids (which occurs at the microscopic scale). In both cases, the fluid-structure interaction coupling is handled using an immersed boundary formalism, representing the membrane by a Lagrangian mesh moving through an Eulerian fluid mesh.When dealing with red blood cells dynamics, the membrane is considered to be an infinitely thin and massless structure. The first question which is addressed in the present thesis work is how to model the complex microstructure of the red blood cells membrane. A possible way to characterize a suitable membrane model is to simulate the optical tweezers experiment, which is a well-controlled experimental configuration enabling to study the individual mechanics of an isolated red blood cell in a large range of deformation. Some relevant membrane models are identified, but the deformation characteristics measured during the optical tweezers experiment reveal to be not selective enough to be used in a validation context. Additional deformation measurements are proposed, which could allow a better characterization of the red blood cell membrane mechanics.Regarding the macroscopic configurations, an innovative numerical method is proposed to handle numerical simulations of 3D continuum membranes, still within the immersed boundary formalism. In this method, called immersed thick boundary method, the membrane has a finite thickness. The accuracy and robustness of the method are demonstrated through a variety of well-chosen test cases. Then, the proposed method is applied to a realistic fluid-structure interaction problem, namely the interaction of a pulsatile (blood) flow with a biomimetic aortic valve. A combined experimental and numerical study is led, showing that the method is able to capture the global dynamics of the valve, as well as the main features of the flow downstream of the valve.All the developments were performed within the YALES2BIO solver (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) developed at IMAG, which is thus available for further improvements, validations and applicative studies.

Les transfusions de globules rouges représentent le traitement principal de l’anémie. La décision de transfuser représente un vrai dilemme clinique. L’anémie et les transfusions de globules rouges sont toutes les deux associées à des risques et à un moins bon devenir des patients, alors que le bénéfice des transfusions sanguines reste difficile à démontrer. C’est pour cela que la décision de transfuser ne doit pas être pris à la légère et qu’elle doit tenir compte de la balance antre les risques des transfusions de globules rouges et les risques de l’anémie. L’anémie, définie comme un taux d’hémoglobine sous la moyenne pour l’âge, est fréquente chez les enfants en péri-opératoire de chirurgie cardiaque. Les conséquences de l’anémie sont une diminution du transport en oxygène vers les cellules. Le taux d’hémoglobine sous lequel la demande tissulaire en oxygène est compromise n’est pas connue et dépend de l’état de santé du patient et de ses comorbidités. Les causes peropératoires de l’anémie sont surtout le saignement et l’hémodilution. Une diminution de la production d’érythropoïétine endogène, une dérégulation du métabolisme du fer, une production défectueuse de la moelle et la répétition des prélèvements sanguins contribuent à l’anémie postopératoire. L’anémie est associée à des évènements indésirables et un moins bon devenir, mais cette association semble en grande partie expliquée par la pathologie sous-jacente, elle-même associée à l’anémie. Les transfusions en globules rouges sont fréquentes en chirurgie cardiaque pédiatrique. Le rapport bénéfice-risque des transfusions sanguines reste difficile à évaluer. Alors que les études rapportant des bénéfices clairs des transfusions sanguines restent rares, plusieurs travaux observent une association entre les transfusions en globules rouges et une augmentation de la morbidité et mortalité. En outre, les transfusions sanguines demeurent une ressource rare et chère. <p>Le but de ce travail est de contribuer à une meilleure utilisation des transfusions sanguines chez les patients de chirurgie cardiaque pédiatrique. Dans la première partie du travail, nous avons étudié les déterminants des transfusions en globules rouges et du saignement, qui représentent une des causes principales de transfusion sanguine chez ces patients. Une meilleure identification et une prise en charge adéquate des facteurs qui mènent aux transfusions sanguines devraient diminuer le nombre de transfusions inappropriées. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous sommes penchés sur l’association entre les transfusions sanguines et le mauvais pronostic des patients en étudiant deux approches :l’âge des globules rouges transfusés et l’indication transfusionnelle. Une meilleure compréhension des facteurs associés à un moins bon pronostic devrait permettre de mieux définir les patients qui bénéficieraient réellement de transfusions en globules rouges. <p>En ce qui concerne les déterminants des transfusions sanguines, nous avons démontré que l’anémie préopératoire était significativement associée aux transfusions sanguines péri-opératoires. Les enfants qui saignent reçoivent beaucoup de produits sanguins. Nous avons déterminé les patients à risque de saignement afin de les reconnaître et les soumettre à des tests de coagulation rapides pour orienter le type de produits sanguins à transfuser en fonction des anomalies de coagulation mises en évidence. Puisque l’anticoagulation par héparine est systématique chez les patients opérés sous circulation corporelle, nous avons étudié si notre protocole de neutralisation de l’héparine avec de la protamine était adéquat. En effet, la persistance d’héparine circulante ainsi qu’un surdosage en protamine sont associés à des saignements postopératoires. Un ratio protamine-héparine de 1:2 semble permettre une neutralisation adéquate de l’héparine chez la majorité des patients sans les exposer à un surdosage en protamine. Finalement, nous avons démontré qu’une stratégie transfusionnelle restrictive en postopératoire permettait de diminuer l’exposition aux transfusions sanguines sans augmenter la morbidité et mortalité de ces enfants. Cela signifie qu’on pourrait éviter des transfusions en globules rouges en prenant en charge l’anémie préopératoire, en développant un algorithme de prise en charge précoce du saignement peropératoire et en diminuant le seuil transfusionnel postopératoire. <p>La deuxième partie de ce travail avait pour but de préciser l’association qu’il existe entre les transfusions en globules rouges et la morbidité et mortalité postopératoire. L’âge du sang n’a pas l’air d’être un facteur influençant le pronostic des enfants opérés de chirurgie cardiaque. Par contre, ce travail a permis de montrer que c’est probablement l’indication transfusionnelle ou la raison qui mène à la transfusion, plutôt que la transfusion en elle-même qui est associée à un moins bon pronostic. L’association entre les transfusions sanguines et un moins bon pronostic est probablement surestimée par la présence de facteurs confondants comme l’indication transfusionnelle. Les transfusions en globules rouges seraient plutôt un marqueur de risque qu’un facteur de risque de mauvais pronostic.<p>En conclusion, ce travail contribue au développement de stratégies transfusionnelles plus rationnelles en chirurgie cardiaque pédiatrique. Reposant sur une approche multidisciplinaire, elles assurent une prise en charge structurée et orientée permettant de diminuer l’exposition des enfants aux produits sanguins, avec pour objectif une amélioration du pronostic et une réduction des coûts de prise en charge de ceux-ci. / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Chez l’homme, les erreurs innées du métabolisme des lipides sont dues à des déficits enzymatiques, entraînant une accumulation intracellulaire de substrats lipidiques. Il en résulte un large éventail de symptômes tels que des atteintes viscérales, osseuses et dans certains cas neurologiques. En outre, de nombreux patients atteints de ce type de maladie présentent des anomalies hématologiques et vasculaires attribuées à des anomalies rhéologiques du globule rouge (GR). Ces observations ont conduit à l’hypothèse de l’existence d’un lien entre les propriétés anormales du GR et sa composition lipidique. Or actuellement, le profil lipidique du GR normal reste méconnu. Cependant, le diagnostic précoce de ces troubles est d’une importance capitale pour la prise en charge des patients, notamment dans les cas où un traitement correctif est disponible. La maladie de Gaucher (MG) de type 1, qui est une maladie lysosomale caractérisée par un déficit en β-glucocérébrosidase et pour laquelle un traitement enzymatique substitutif (ERT) est proposé, en est le meilleur exemple. D’où l’intérêt de disposer d’un outil simple et rapide de diagnostic de ce type de maladie.Dans le cas de la MG, le diagnostic repose encore sur la mise en évidence, laborieuse, du déficit enzymatique. Néanmoins, des travaux récents suggèrent que les anomalies rhéologiques du GR pourraient être dues à l’accumulation de quatre sphingolipides, le glucosylcéramide, la glucosylsphingosine, la sphingosine et la sphingosine-1-phosphate, qui seraient de bons candidats biomarqueurs. Or, les méthodes actuelles de dosage de ces sphingolipides nécessitent au moins deux étapes chromatographiques, avec pour chacune une étape longue et fastidieuse de préparation de l’échantillon, ce qui ne facilite guère une approche lipidomique de ce sujet. En outre, seul le glucosylcéramide a été dosé dans le GR tandis que les trois autres sphingolipides n’ont été dosés que dans le plasma. Ces candidats biomarqueurs restent donc à valider.Dans cette thèse, nous avons développé et validé une méthode simple et rapide, par UHPLC-MS/MS, de dosage simultané des 4 sphingolipides impliqués dans la MG. L’application de cette méthode à des GR provenant de patients atteints de la MG, en collaboration avec l’Institut National de Transfusion Sanguine et la société Shire, nous a permis de : 1- valider un biomarqueur parmi les quatre proposés et de montrer que les trois autres n’étaient pas suffisamment spécifiques ; 2- vérifier l’efficacité du traitement ERT actuellement proposé et 3- confirmer l’hypothèse de départ reliant les anomalies rhéologiques du GR à sa composition lipidique.De même, une étude systématique des conditions opératoires nous a permis de généraliser la méthode proposée à l’identification et au dosage de l’ensemble des sphingolipides présents dans un GR ainsi que des phospholipides, constituants majoritaires de sa membrane. Appliquée à la quantification simultanée d’une trentaine de sphingolipides et de phospholipides dans le GR normal et celui de la MG, cette méthode nous a permis de mettre en évidence l’implication d’autres lipides polaires dans la maladie de Gaucher, outre les 4 sphingolipides jusqu’alors proposés. De même, il est prévu de l’adapter à moyen terme pour le profilage total, par classe, de tous les lipides présents dans le GR.Enfin, nous avons évalué d’autres techniques de SM telles que la haute résolution et la mobilité ionique (TWIMS et DIMS) dans le but d’affiner la recherche de nouveaux biomarqueurs, notamment par l’identification des lipides isomères non discriminables par les techniques de MS conventionnelles. Grâce à une collaboration avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000) nous avons montré la faisabilité de cette approche en séparant en DIMS deux isomères : la galactosylsphingosine 18:1 et la glucosylsphingosine 18:1 et nous poursuivons actuellement cette étude pour séparer d’autres couples d’isomères. / In humans, hereditary disorders of lipid metabolism are due to enzyme deficiencies, resulting in intracellular accumulation of lipid substrates. This results in a wide range of symptoms such as visceral, bone and in some cases neurological disorders. Furthermore, many patients suffering such diseases have hematologic and vascular symptoms attributed to red blood cell (RBC) rheological abnormalities. These observations led to a hypothesis linking RBC abnormal properties to its lipid composition. However, the lipid profile of normal RBC remains unknown to date. Early diagnosis of these conditions is of importance notably when a therapy is available. This is the case for Gaucher disease (GD) type 1, a lysosomal disorder characterized by β-glucocerebrosidase deficiency, where an enzyme replacement therapy (ERT) is proposed. Hence, the availability of a simple and rapid tool of diagnosis of such a disorder is of great importance, notably for a better patient care and monitoring.To the best of our knowledge, standard diagnosis procedures and monitoring of GD patients are still based on the tedious evaluation of enzyme deficiency. Nevertheless, recent works suggest that these rheological disorders may be due to the accumulation of four sphingolipids, glucosylceramide, glucosylsphingosine, sphingosine and sphingosine-1-phosphate, which could be considered as relevant biomarkers. However, most of current determination methods of these sphingolipids require at least two liquid chromatographic runs, each with a time-consuming sample preparation step that does not facilitate a lipidomic approach. In addition, only glucosylceramide was quantified in RBC while the other three sphingolipids were quantified only in plasma. Thus, these biomarker candidates remain to be validated.In this PhD, we describe a simple and rapid UHPLC-MS/MS method of simultaneous determination of the 4 sphingolipids involved in GD in both plasma and RBC. The application of this method to RBC from GD patients, in collaboration with the Institut National de Transfusion Sanguine and Shire (USA), allowed us: 1- to validate one biomarker among the four proposed candidates and to show that the other three candidates are not specific; 2- to check the efficiency of the proposed ERT and 3- to confirm the initial hypothesis linking the RBC rheological abnormalities to its lipid composition.Also, a systematic study of the operating conditions allowed us to generalize the proposed method to the determination of not only all the sphingolipids present in RBC but also all phospholipids, which are the major constituents of its membrane. The application of the later method to the simultaneous quantification of thirty sphingolipids and phospholipids in normal and GD RBCs, allowed us to validate it and to unravel the involvement of other candidate biomarkers of GD, different from the 4 previous sphingolipids. Providing appropriate modifications, this method is intended to be used for the profiling of all lipid classes in plasma and RBC. This is our main objective in the medium-term.Finally, we evaluated other modern MS techniques such as high resolution (HRMS) and ion mobility (TWIMS and DIMS) in order to refine the investigation of new biomarker candidates, including the separation of lipid isomers that cannot be discriminated by conventional MS techniques. Indeed, in collaboration with the Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000), we here show the feasibility of this approach by achieving the separation of two isomers, by the DIMS technique: galactosylsphingosine 18:1 and glucosylsphingosine 18:1, which cannot be separated by conventional methods. We are currently pursuing these investigations in order to separate other isomers.