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Des physiciens de l'Université de la Sarre et de l'Université de Bristol ont récemment réfuté cette hypothèse. Ils ont pu prouver que ces zones de cellules sanguines sont davantage dues à leur propre force d'attraction et à leur adhérence aux cellules voisines. Leurs travaux ont été publiés dans la revue spécialisée de renom PNAS.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Les motifs sont omniprésents dans la nature. Les oiseaux et les poissons volent et nagent de manière miraculeuse en immenses essaims, les empreintes digitales forment des motifs uniques, tout comme les zèbres, qui peuvent être distingués individuellement grâce à leurs rayures. Mais selon quelles lois ces motifs se forment-ils ?
Les globules rouges peuvent aider à répondre à ces questions. Tout comme les rayures zébrées sur la fourrure des artiodactyles, les cellules sanguines forment des motifs caractéristiques lorsqu'elles sont séparées les unes des autres dans une centrifugeuse. Vues de haut en bas, des rayures rouge vif, dans lesquelles s'accumulent de nombreuses cellules sanguines, alternent avec des rayures blanches. Ces zones contiennent moins de globules rouges. Elles sont suivies d'une nouvelle accumulation de globules rouges d'un rouge vif, puis d'une bande contenant moins de cellules, et ainsi de suite. « Les cellules sanguines plus jeunes, qui viennent d'être produites, contiennent plus d'eau, tandis que les cellules sanguines plus anciennes contiennent moins d'eau . Les cellules sanguines plus anciennes ont donc une densité plus élevée, car l'hémoglobine qui y reste est plus lourde que l'eau. Ainsi, lors de la centrifugation, les cellules plus anciennes se déposent au fond, tandis que les plus jeunes, en raison de leur densité plus faible, s'accumulent au bord supérieur du tube », explique Christian Wagner, confirmant une hypothèse largement répandue jusqu'à présent pour expliquer ce phénomène.
Le professeur de physique expérimentale à l'université de la Sarre explique le malentendu courant auquel les chercheurs du monde entier ont adhéré jusqu'à présent : « On supposait jusqu'à présent que les cellules sanguines perdaient de l'eau de manière irrégulière au cours de leur vie d'environ 120 jours. » Il en résulterait ainsi des « cohortes » de cellules sanguines plus jeunes (beaucoup d'eau), moyennes (moins d'eau) et plus âgées (moins d'eau), qui s'agglutinent toutes dans des zones similaires de la solution centrifugée en fonction de leur densité respective, de sorte qu'on observe finalement les motifs rayés typiques.
« Ce n'est toutefois pas la perte d'eau qui en est responsable, mais l'agrégation des cellules entre elles », explique Felix Maurer, doctorant, qui a dirigé l'étude en collaboration avec son co-directeur Alexis Darras, maître de conférences à l'université de Bristol. Dans le cadre d'expériences, les deux jeunes scientifiques ont mélangé des globules rouges dans un milieu composé d'eau, de sels et de nanoparticules, puis les ont centrifugés. « À l'instar des ballons-sondes dans l'atmosphère terrestre, qui s'amincit vers le haut, les globules rouges se répartissent de manière à ce que chaque cellule reste en suspension à une hauteur d'équilibre. Il s'agit de la hauteur à laquelle la densité moyenne de la cellule est égale à la densité de l'environnement », explique le jeune scientifique.
Ils ont ainsi fait une découverte remarquable : c'est le nombre même de cellules qui conduit à la formation de bandes. « Le motif rayé n'apparaît qu'à partir de l'interaction d'un très grand nombre de cellules. Dans l'expérience, il y en avait environ un milliard dans un tube », explique Felix Maurer. Après avoir réduit le nombre de cellules, les physiciens ont pu observer un comportement complètement différent : « Sans agrégation, c'est-à-dire sans collage des cellules entre elles, les cellules se répartissent uniformément partout, et aucune rayure n'apparaît », explique Felix Maurer.
C'est donc l'interaction entre l'agrégation (c'est-à-dire l'accumulation d'un grand nombre de cellules dans un espace restreint) et la gravitation opposée qui pousse les cellules sanguines à former le motif rayé caractéristique. Ces découvertes fondamentales pourraient par exemple constituer une base importante pour le développement de nouvelles approches diagnostiques dans le cas de maladies du sang telles que la drépanocytose, au cours de laquelle les cellules sanguines se déforment et leur comportement en termes de flux et d'agrégation change en conséquence. « Dans le cas de l'anémie falciforme, par exemple, on observe un motif strié modifié, comme l'a montré une étude réalisée en 2021. Jusqu'à présent, cependant, on ne pouvait pas expliquer pourquoi », explique Felix Maurer.
Un deuxième aspect fondamental mis en lumière par l'étude est la question de savoir comment les motifs et les structures se forment dans la nature. Pour cela, Felix Maurer, Alexis Darras et leurs collègues ont dérivé de leurs observations en laboratoire un modèle mathématique basé sur la théorie dite de la densité fonctionnelle dynamique, qui permet d'expliquer la formation de tels motifs. « Une équation similaire à celle que nous avons développée dans notre étude décrit également les motifs des rayures des zèbres, des volées d'oiseaux et des empreintes digitales », explique Christian Wagner. Felix Maurer explique ce que cela signifie : « Dans notre cas, une interaction à courte portée entre les cellules individuelles conduit à la formation d'une largeur de bande macroscopique préférentielle et d'un espacement préférentiel entre les bandes. Les volées d'oiseaux présentent également un comportement collectif. Les formations résultent de règles de voisinage simples entre les individus. On retrouve une idée similaire dans la formation des empreintes digitales. »
Ainsi, l'observation spécifique des cellules sanguines en laboratoire permet de mieux comprendre les règles fondamentales de la nature.
Publication originale :
F. Maurer, C. Romero, N. Lerch, T. John, L. Kaestner, C. Wagner, & A. Darras, Band pattern formation of erythrocytes in density gradients is due to competing aggregation and net buoyancy, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (51) e2515704122, https://doi.org/10.1073/pnas.2515704122 (2025).
Informations complémentaires :
Felix Maurer
E-mail : felixmilan.maurer(at)uni-saarland.de
Prof. Dr Christian Wagner
Tél. : (0681) 3024676
E-mail : christian.wagner(at)uni-saarland.de
