Tournants et bifurcations, acteurs de la vaso­occlusion drépanocytaire?

La drépanocytose affecte plus de 50 millions de personnes dans le monde et se caractérise par des crises douloureuses de vaso­occlusion dont la localisation exacte dans la microcirculation des tissus profonds reste inconnue. Une étude microfluidique et numérique réalisée par trois équipes multidisciplinaires de Montpellier, démontre pour la première fois que des cellules sanguines se déposent préférentiellement aux tournants à fortes courbures, et notamment aux bifurcations, caractéristiques de la microcirculation. Ces travaux qui mettent en évidence le rôle majeur que pourrait jouer la géométrie de l’écoulement dans l’avènement des crises occlusives, sont publiés dans la revue Biophysical Journal.

 

La drépanocytose est une hémoglobinopathie héréditaire qui affecte plus de 50 millions de personnes dans le monde. Elle se caractérise par des crises douloureuses vaso­occlusives dans la microcirculation des tissus profonds. Les symptômes proviennent d'une mutation singulière produisant une hémoglobine anormale nommée HbS dans les globules rouges. Lorsqu'elles sont désoxygénées, ces molécules d'HbS polymérisent en fibrilles traversant le globule rouge de part en part, en le déformant au repos sous une forme tristement célèbre de faucille, donnant son nom à la maladie. La perte de déformabilité résultante serait responsable d'évènements vaso­occlusifs récurrents et délétères. Au cours des trois dernières décennies, la physiopathologie des crises vaso­occlusives s'est avérée plus complexe que l'explication logique, mais trop simpliste, d'un colmatage des vaisseaux sanguins par encombrement de globules rouges rigidifiés après relargage de leur cargo d'oxygène et polymérisation de leur hémoglobine. Notamment, des scénarios complémentaires basés sur des variations permanentes des propriétés de la membrane de ces globules, telle que leur adhérence accrue entre eux et aux parois vasculaires, ont été proposés. Des cascades adhésives de globules rouges pourraient produire de la vaso­occlusion par accumulation catastrophique dans les veinules post­capillaires, même si aucune description détaillée de la dynamique d'occlusion n'est encore disponible à ce jour. La déposition et l'agrégation des globules rouges seraient en fait favorisées par un état inflammatoire chronique chez les patients souffrant de la drépanocytose, état résultant du stress oxydatif associé à l'hémolyse plus fréquente de leurs globules rouges plus fragiles. Jusqu'à présent, aucun des scénarios proposés n'a examiné le rôle éventuel joué par la géométrie de l'écoulement sur la déposition et la question de l'emplacement exact des événements occlusifs à l'échelle de la microcirculation reste ouverte. Des chercheurs du Laboratoire Charles Coulomb, de l’Institut de Mathématiques, de l’Institut de Biochimie Structurale et de Modélisation et du Laboratoire d’Hématologie de la Faculté de médecine de Montpellier, révèlent pour la première fois, grâce à l’utilisation de puces microfluidiques, que des agrégats cellulaires se forment par déposition successive de globules rouges drépanocytaires, préférentiellement autour de coins prononcés de piliers triangulaires ou de bifurcations. Cette accumulation localisée conduit à des agrégats géants flottant au milieu du canal. Puisque la microcirculation est formée de vaisseaux présentant généralement de fortes courbures, des formes ondulées, et un grand taux de bifurcations avec des longueurs de segments courts entre les bifurcations du réseau, les chercheurs proposent que ces caractéristiques géométriques pourraient jouer un rôle majeur dans le développement d'évènements vaso­occlusifs in vivo.

 

figure : Formation d’agrégats dans une puce microfluidique mimant la microcirculation. (a) Formation d’agrégats de globules rouges drépanocytaires au niveau de coins prononcés. La flèche indique le sens de l’écoulement et la barre d’échelle représente 50 µm. (b) Agrégats de globules drépanocytaires au niveau d’une bifurcation. La barre d’échelle représente 20 µm. (c) En présence de plasma autologue, les agrégats adoptent une morphologie différente de celle présentée en (a) et forment de longues chaînes qui flottent au milieu du canal. La barre d’échelle représente 20 µm. © Manouk Abkarian

 

En savoir plus: Microfluidic study of enhanced deposition of sickle cells at acute corners and its possible role in vaso-occlusion. E. Loiseau, G. Massiera, S. Mendez, P. Aguilar Martinez and M. Abkarian. Biophysical Journal, Vol. 108, Issue 11, p2623–2632. dx.doi.org/10.1016/j.bpj.2015.04.018 Contact chercheur Manouk Abkarian Centre de Biochimie Structurale CNRS UMR 5048, Inserm U1054, Université de Montpellier 29 rue de Navacelles 34090 Montpellier Cedex Tel :04 67 41 77 13

Ségrégation d'ADN en HD

La croissance des bactéries requiert la ségrégation de leur génome afin que chaque cellule fille, issue de la division cellulaire, hérite d’une copie identique du matériel génétique de la cellule mère. L’étape de ségrégation du génome bactérien est assurée par un système actif, appelé système de partition, permettant la séparation et le positionnement de l’ADN nouvellement répliqué. En utilisant des techniques de microscopie de fluorescence à super-resolution, l’équipe de Marcelo Nollmann, en collaboration avec l’équipe de Jean-Yves Bouet au Laboratoire de microbiologie et génétique moléculaires de Toulouse, révèle un nouveau modèle dans lequel la structure du nucléoide sert de guide pour le positionnement des systèmes de partition. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications. To ensure proper growth, bacterial genome must be faithfully segregated so that each daughter cell, resulting from cellular division, inherits an identical copy of the mother cell genetic material. Segregation of bacterial genomes is ensured by an active system, called partition system, allowing the separation and the positioning of newly replicated DNA. By using fluorescence super-resolution microscopy techniques, the team of Marcelo Nollmann, in collaboration with the team of Jean-Yves Bouet at the Laboratoire de microbiologie et génétique moléculaires of Toulouse, reveals a new model in which the nucleoid provides a scaffold to guide the proper segregation of partition complexes. This work is published in the nature magazine Nature Communications.

Nouvelle publication: "Bacterial partition complexes segregate within the volume of the nucleoid."

Auteurs: Antoine Le Gall, Diego I. Cattoni, Baptiste Guilhas, Céline Mathieu-Demazière, Laura Oudjedi, Jean-Bernard Fiche, Jérôme Rech, Sara Abrahamsson, Heath Murray, Jean-Yves Bouet & Marcelo Nollmann

Journal:Nature Communications, 2016, July, 7:12107, doi:10.1038/ncomms1210

Mécanisme de propulsion bactérien

La bactérie gram-négative Myxococcus xanthus a développé au cours de son évolution une surprenante propriété : celle de pouvoir de déplacer sur des surfaces sans l'aide d'appendices extérieurs tels que les flagelles ou pili. A la place, et de manière assez similaire aux cellules eucaryotes, des points d'adhésion (Focal Adhesion points, FAs) entre la surface et la membrane se forment de façon transitoire et induisent le mouvement des cellules. Au total, une quinzaine de protéines interviennent dans la formation des FAs et se répartissent dans les différents compartiments composants la cellule : membrane externe, périplasme, membrane interne et cytosol.

Ce travail a été réalisé en étroite collaboration entre le groupe de Marcelo Nöllmann au CBS et l'équipe de Tâm Mignot au Laboratoire de Chimie Bactérienne (CNRS Marseille). Laura Faure, JB Fiche et Leon Espinosa sont les principaux auteurs de ce travail.

Pour cette étude, plusieurs techniques de microscopie (TIRF deux couleurs, imagerie 3D par astigmatisme, RICM, ...) ont été utilisées pour comprendre l'architecture des FAs et les mécanismes conduisant à leurs formations. Nous avons pu démontrer que les FAs se décomposent en trois compartiments, spatialement délimités au niveau de la membrane:

  • un complexe moteur produisant la force proton-motrice à l'origine du mouvement
  • un complexe cytosolique/membrane interne, servant de plateforme pour la formation des FAs
  • un complexe périplasmique/membrane externe permettant la connection avec la surface et la transmission des forces nécessaire au mouvement des bactéries.

Nous avons découvert que les complexes moteur se déplacent constamment à l'intérieur de la cellule en décrivant une trajectoire hélicoïdale. Lorsqu'un moteur est capté par un complexe d'adhésion, il induit alors le mouvement de la bactérie qui suit à son tour une trajectoire hélicoïdale.

L'origine de cette trajectoire hélicoïdale n'est pour le moment pas totalement comprise mais nous supposons que le peptidoglycan (PG) puisse être impliqué. En effet, les chaines le composant sont globalement ordonnées selon une hélice et pourraient donc servir de « rails » pour guider le déplacement des complexes moteur. Par ailleurs, le caractère rigide du PG pourrait à la fois permettre de stabiliser transitoirement le moteur durant le mouvement tout en servant de point d'appui pour la propulsion de la cellule.


Référence:

The mechanism of force transmission at bacterial focal adhesion complexes
Laura M. Faure*, Jean-Bernard Fiche*, Leon Espinosa*, Adrien Ducret, Vivek Anantharaman, Jennifer Luciano, Sébastien Lhospice, Salim T. Islam, Julie Tréguier, Mélanie Sotes, Erkin Kuru, Michael S. Van Nieuwenhze, Yves V. Brun, Olivier Théodoly, Aravind L, Marcelo Nöllmann# & Tâm Mignot#.
[* Co-authors]
[# Co-corresponding authors]
Nature. 2016 Oct 5. doi: 10.1038/nature20121.

Un nouveau regard sur la rhéologie du sang

Le sang est un fluide dont la viscosité chute avec l'augmentation du taux de cisaillement appliqué : on parle de rhéofluidification. A haut taux de cisaillement, ce caractère rhéologique physiologiquement essentiel était jusqu'alors expliqué par le comportement des globules rouges, supposés s'aligner et s'étirer dans la direction de l'écoulement. Des travaux récents mettent à mal ce paradigme et montrent que dans les conditions physiologiques, la rhéofluidification est associée à des changements dynamiques de morphologie des globules rouges, ceux-ci prenant des formes complexes polylobées inconnues jusqu'à présent. Cette étude a été publiée le 9 novembre 2016 dans la revue PNAS.

Le sang est un fluide rhéofluidifiant: sa viscosité diminue avec la contrainte de cisaillement appliquée. Cette propriété rhéologique est essentielle pour une perfusion efficace de l'arbre vasculaire par le coeur et est directement reliée à la dynamique de ses principaux constituants, les globules rouges (hématies). A bas taux de cisaillement, la diminution de la viscosité avec la contrainte de cisaillement est due à la désagrégation de rouleaux de globules rouges. A haut taux de cisaillement, le paradigme actuel explique la rhéofluidification du sang par une analogie avec la rhéologie des émulsions. Dans une telle vision, la diminution de viscosité sanguine à fort taux de cisaillement serait due à l'élongation et l'inclinaison stationnaire acquises par les globules rouges grâce à la circulation de leur membrane autour de leur centre de masse, par analogie avec ce que ferait une gouttelette d'huile dans l'eau sous cisaillement. Cette dynamique est généralement appelée mouvement de chenille de char.

Cependant, plusieurs équipes de biophysiciens, physiciens et numériciens de Montpellier et de Jülich en Allemagne ont récemment obtenu des résultats qui bousculent complètement cette vision. Pour des taux de cisaillements typiques des écoulements de la microcirculation sanguine, les globules rouges prennent des formes dynamiques polylobées sans mouvement de circulation de leur membrane, à condition de considérer les conditions physiologiques de viscosité extérieure proche du plasma, ce qui n'avait pas été réalisé jusqu'à maintenant. De plus, les études dans différentes conditions de viscosité montrent que les changements de formes des globules rouges sont associés à un effet rhéofluidifiant plus important que le mouvement de chenille de char, obtenu pour des conditions non physiologiques de viscosité.

Ces résultats suggèrent que tout changement pathologique dans la viscosité membranaire ou interne des globules rouges aura un impact sur l'apparition de ces transitions morphologiques et devrait jouer un rôle clé dans la compréhension du comportement du sang dans des situations physiologiques ou pathologiques telles que l'anémie falciforme.

De plus, depuis une cinquantaine d'années, de nombreux travaux sur le comportement du sang partent de l'hypothèse erronée que les globules rouges effectuent dans le sang un mouvement de chenilles de char, notamment près des parois vasculaires. En plus d'établir des nouvelles bases de compréhension de la rhéologie du sang, les résultats de cette étude nous incitent donc à revisiter de nombreux travaux sur les écoulements sanguins à haut taux de cisaillement, qui concernent des sujets aussi variées que l'hémolyse, l'hémorhéologie pathologique, la vasomotricité ou le transport des globules rouges dans la microcirculation, en prenant en compte la dynamique réelle des hématies.

 

 rheologie2

Figure : Séquence temporelle de déformation en forme de trilobe d'un globule rouge à fort taux de cisaillement (1000 s-1)

© Manouk Abkarian et Simon Mendez

 

En savoir plus

 

Manouk Abkarian
Centre de Biochimie Structurale
CNRS UMR 5048 - UM - INSERM UMR 1054
29 rue de Navacelles
34090 Montpellier Cedex
Tel: +33 (0) 4 67 41 77 13
Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
 
Simon Mendez
Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck
UMR CNRS-UM 5149
Place Eugène Bataillon
Université de Montpellier
34095 Montpellier
tel: +33 (0)4 67 14 35 80
Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

 

 

Connexion