Thèse : Modélisation de la circulation sanguine et de la signalisation biochimique - Ananta Kumar Nayak (LIPhy)

Dans notre corps, les globules rouges (GR) sont principalement impliqués dans le transport de l’oxygène et des nutriments vers les tissus, et inversement, ils deviennent le transporteur des excréments métaboliques tels que le dioxyde de carbone des tissus. En plus de ces processus passifs, les globules rouges participent activement à la communication avec la paroi vasculaire. Cette communication est médiée par une molécule de signalisation, l’adénosine triphosphate (ATP), qui est libérée en raison de la contrainte de cisaillement subie par la membrane RBC.  L’ATP est connu comme un vecteur d’énergie, et l’énergie qu’il libère par hydrolyse de la liaison phosphate est utilisée pour effectuer des fonctions cellulaires. Cependant, l’ATP libéré dans le plasma par les globules rouges déclenche une cascade de réactions biochimiques dans les cellules endothéliales (CE), entraînant la libération de Ca2+ séquestré du réticulum endoplasmique (RE).  Ca2+ est un ion ubiquitaire responsable de nombreuses fonctions cellulaires telles que la vasodilatation, la prolifération cellulaire et la transcription des gènes. En particulier, Ca2+ régule la synthèse de l’oxyde nitrique (NO), un vasodilatateur important, dans la paroi vasculaire. Les molécules NO agissent sur les cellules musculaires lisses (SMCs), une couche située sous la couche d’endothélium, pour détendre le diamètre de la paroi du vaisseau. En conséquence, l’augmentation du diamètre des vaisseaux améliore l’approvisionnement en sang dans la zone où les besoins métaboliques sont élevés. Néanmoins, la concentration de NO disponible pour la relaxation de SMC est également affectée par les GR, car ils agissent comme des charognards en le convertissant en d’autres métabolites tels que les nitrites et les nitrates. En raison de l’importance susmentionnée de la dynamique des globules rouges et de son impact sur la signalisation biochimique dans la paroi vasculaire, il est nécessaire de comprendre les principes fondamentaux du contrôle de la perfusion sanguine locale et de la progression des maladies vasculaires. Cette thèse est principalement consacrée au couplage de la dynamique des globules rouges et de la signalisation biochimique se produisant dans la paroi vasculaire en utilisant la méthode de Boltzmann (IBLBM). Plus précisément, nous avons étudié l’effet de la dynamique des globules rouges dans un canal droit bidimensionnel (2-D) avec des changements de paramètres tels que la force d’écoulement, la largeur du canal et la concentration des globules rouges sur la dynamique Ca2 + et NO. De manière plus détaillée, nous avons d’abord développé un modèle de dynamique Ca2+ homéostatique minimale qui assure le retour des concentrations intracellulaires de Ca2+ de sa concentration non-physiologique à la concentration physiologique en présence d’agoniste (ATP). Deuxièmement, nous avons explicitement intégré l’ATP libéré par les GR et les CE qui déclenchent la signalisation Ca2+ dans l’endothélium. Cette étude met en lumière le contrôle en amont de la perfusion sanguine dans un réseau vasculaire en raison de la propagation des signaux Ca2+ d’une région de concentration d’ATP plus élevée à une région de concentration d’ATP plus faible. Enfin, nous avons modélisé la synthèse de l’ATP et du NO dépendant du cisaillement dans les ECs.  Ce modèle est étendu pour intégrer explicitement le piégeage du NO par les globules rouges afin de comprendre la disponibilité du NO dans les vaisseaux sanguins avec un paramètre numérique 2-D. Cette étude met en évidence le fait que la concentration de NO dans la paroi vasculaire dépend fortement de la concentration de globules rouges.