Modélisation de l’écoulement sanguin et du transport de molécules dans la microcirculation sanguine cérébrale : impact des occlusions capillaires dans la maladie d’Alzheimer - Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

Analyse du mouillage, du développement et de l’évaporation d’un film liquide pour des applications moteurs automobiles.

Soutenance de thèse Maxime Berg

Mercredi 19 juin à 14 h 00 Amphithéâtre Nougaro

Resumé :

Le système microvasculaire est un acteur essentiel du fonctionnement cérébral. Il est en effet responsable de l’approvisionnement des cellules en oxygène et glucose ainsi que de l’évacuation des déchets métaboliques comme le dioxyde de carbone. Ce système est composé d’une multitude de petit vaisseaux appelés artérioles, veinules et capillaires, qui sont entourés de tissu cérébral. Ces vaisseaux forment un immense réseau qui étend ses ramifications à travers tout le cerveau. A cause de son rôle prépondérant dans l’homéostasie cérébrale le système microvasculaire est impliqué dans de nombreuses pathologies, allant de l’accident vasculaire cérébral aux maladies neurodégénératives.
Ces dernières décennies ont été marquées par des avancées significatives dans le domaine de l’imagerie du vivant (e.g.la microscopie multi-photonique) qui ont permis l’observation du système microvasculaire cérébral avec un niveau de précision sans précédent. Ces techniques génèrent cependant de grandes quantités de données qu’il est difficile d’analyser sans outils théoriques adaptés. C’est pourquoi, dans cette thèse, nous développons des modèles capables de décrire l’écoulement sanguin ainsi que le transport de soluté au sein de vastes réseaux microvasculaires anatomiques.
La principale difficulté dans la résolution de tels problèmes, vient de la taille de ces réseaux. En effet, même s’ils ne représentent qu’une fraction du système microvasculaire, ils sont composés de plusieurs dizaines de milliers de vaisseaux et possèdent des géométries complexes. Il est donc inenvisageable de résoudre l’écoulement sanguin et le transport de soluté par le biais de méthodes classiques comme les volumes finis ou les éléments finis. Afin de surmonter cette difficulté, nous combinons une approche réseau de pores avec des méthodes de changement d’échelles (prise de moyenne volumique et développements asymptotiques) et des fonctions de Green. Cela nous permet de simplifier à la fois la description de l’écoulement sanguin et du transport de soluté tout en restant cohérent avec la physique sous-jacente. Pour nous assurer de la pertinence de ces simplifications nous validons systématiquement nos modèles en les comparant à des mesures in vitro et in vivo si elles existent et à des solutions analytiques de référence sinon. Une fois validés, nous utilisons nos modèles afin d’élucider le rôle joué par le système microvasculaire aux stades précoces de la maladie d’Alzheimer. En effet, il a été récemment montré qu’une baisse du débit sanguin cérébral était le premier marqueur quantitatif de la maladie. Simultanément, nos collaborateurs, les professeurs Schaffer et Nishimura de l’université de Cornell, ont observé chez les souris malades qu’une faible proportion (2%- 4%) des capillaires étaient obstrués par des globules blancs. En conséquence ils ont injecté un anticorps inhibant l’adhésion de ces derniers. Les vaisseaux se sont alors débloqués, entraînant une augmentation du débit sanguin ainsi qu’une amélioration des capacités cognitives chez les souris malades. Si l’on suppose qu’après l’injection le débit sanguin retrouve sa valeur de référence, on peut estimer que les occlusions capillaires réduisent de 20 % à 30 % le débit sanguin.
Une si faible proportion de capillaires obstrués peut-elle avoir un impact aussi important sur le débit sanguin cérébral ? Il est difficile de répondre simplement à cette question en se fiant uniquement à l’expérience puisqu’il est quasiment impossible d’isoler un tel phénomène in vivo que ce soit chez la souris ou chez l’humain. Pour contourner ce problème nous utilisons nos modèles et simulons numériquement l’impact de ces occlusions sur le débit sanguin. Nous trouvons que 2% à 4% d’occlusions capillaires conduisent à une baisse de débit pouvant aller jusqu’à 12%, faisant de ces occlusions un mécanisme important dans l’apparition de la maladie d’Alzheimer. Pour finir, nous quantifions leurs conséquences sur les échanges moléculaires.

Jury :