Chapitre 3 - Globules rouges, hémoglobine, rhéologie du sang Introduction

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Chapitre 3 - Globules rouges, hémoglobine, rhéologie du sang Introduction

Tous les tissus de l’organisme sont imprégnés de liquides en équilibre entre eux "le milieu intérieur est l’ensemble des liquides interstitiels et du plasma sanguin" (Bernard, 1855). Un historien ancien, "inspiré de la création" écrivait, il y a 3500 ans: "Anima omnis carnis in sanguine est" (Biblia sacra vulgare leviticus, cap, VII, 14, cité par Edwards, 1857).

Le sang, image de vie ou de mort, bienfaisant ou maléfique suivant la mythologie, devient science après la découverte de la circulation sanguine, du globule rouge, de la biologie cellulaire (Binet, 1988). L'approche scientifique du sang ne débute véritablement qu'au 17^ème siècle après l’invention du microscope. Malpighi serait le premier à observer des globules arrondis, dans le sang de hérisson, observations qui seront publiées, 57 ans après sa mort, par Boerhaave. La découverte est aussi attribuée à Swammerdam (1658; Baker, 1948). On doit à van Leeuwenhoek (1668) les premières descriptions des globules rouges. Il conclut que le sang humain est composé d’une multitude de corpuscules arrondis, d’une petitesse extrême qui roulent dans un fluide hyalin.

Globules rouges

Le globule rouge (hématie, érythrocyte) est une cellule anucléée contenant environ 33% d'hémoglobine ayant, de face, la forme d'un disque arrondi et, de profil, la forme d'une lentille biconcave. Le diamètre moyen du globule rouge humain est de 7,80 µm, son épaisseur en périphérie est de 2,4 μm, au centre de 1,4 μm (Cynober et al., 2000); sa durée de vie est de 120 jours. Les érythroblastes proviennent des cellules souches de la moelle osseuse hématopoïétique.

L'érythropoïétine, hormone qui stimule la production des globules rouges, est essentiellement produite dans les reins, en réponse aux variations de l'oxygénation tissulaire. L'érythroblaste siège d’activités métaboliques synthétise les acides nucléiques (ADN et ARN) requis pour l'édification de ses protéines et de l'hémoglobine du futur érythrocyte.

Le réticulocyte, qui ne possède plus de noyau, contient encore de l'ARN. Il est pourvu des mitochondries et peut synthétiser de la protoporphyrine et la transformer en hème en y incorporant du fer.

Membrane du globule rouge

Assurant l'intégrité du milieu intérieur elle est constituée de protéines et de lipides intriqués dans une structure complexe. Les lipides sont répartis en une double couche de 40Å d'épaisseur. De volumineuses molécules protéiques sont fermement enchâssées dans cette bicouche:

- du côté interne, le réseau protéique constitue le cytosquelette qui confère la forme de discocyte au globule;

- du côté externe, se situent les récepteurs et les motifs antigéniques du globule rouge.

Le premier inventaire des protéines membranaires et squelettiques fut dressé par Fairbanks et al. (1971) qui séparent, par électrophorèse, les protéines en fonction de leur poids moléculaire et les numérotent par ordre décroissant de poids. Les interactions de trois protéines: spectrine, actine et protéine 4.1 aboutissent à la formation du squelette, qui donne sa forme aux hématies.

Les hématies manifestent une extraordinaire capacité de déformation, réversible, qui ne peut être rationalisée que sur base de la cohérence du cytosquelette, réseau de spectrine attaché à une membrane phospholipidique. Li et al. (2007) développent un modèle dynamique au niveau moléculaire, tendant à décrire comment les globules se "fluidifient" dans les capillaires les plus étroits. Si des liaisons internes à ce réseau ou entre réseau et membrane sont brisées, les orifices pratiqués dans le cytosquelette permettent à la cellule de franchir les passages étroits (fig. 3-1, 3-2).

Figure 3-1: "fluidification" d'un globule normal dans un "capillaire" (forme du globule, franchissant un tube de 4 µm sous une pression différentielle de 1.5 mm d'eau, avec récupération de forme à la sortie (les images a, b, c et d ont été prises aux temps 0, 0.4, 0.8 et 1.4 sec; Li et al., 2007)

Figure 3-2: simulation du cytosquelette d'une hématie humaine soumise à cisaillement, les liaisons entre actine (billes rouges) et spectrine (billes grises, vertes, jaunes et bleues) peuvent se briser, permettant sa grande déformabilité (Suresh, in Trafton, 2007)

15°

Oxyhémoglobine Désoxyhémoglobine 15°

Oxyhémoglobine Désoxyhémoglobine

Hémoglobine normale (HbA)

Les hémoglobines humaines sont constituées de (Dahmani et al., 2009):

- 4 chaînes polypeptidiques identiques deux à deux, deux chaînes  ayant chacune 141 résidus d’acides aminés et deux chaînes non  ( pour HbAA,  pour HbF,  pour HbA2) ayant chacune 146 résidus;

- 4 molécules d’hème.

L’ensemble (hème - chaîne de globine) constitue une sous unité d’hémoglobine. Dans la molécule entière, les quatre sous unités forment un tétramère. Elles sont unies par des liaisons de faible énergie et ménagent une cavité centrale entre les deux chaînes β où viennent interagir les ions chlorures (Cl^-) et le 2-3 DiPhosphoGlycérate (2,3-DPG).

Modification de structure

Le "mouvement respiratoire" de la molécule d'hémoglobine est fonctionnellement important. Quand les quatre atomes d'oxygène se lient à l'oxyhémoglobine, les liaisons α₁β1 et α₂β2 se séparent un peu l'une de l'autre. Après oxygénation complète les groupes hèmes des chaînes β sont plus proches l'un de l'autre de 7Å (configuration R, relâché). Après désoxygénation l'opposé se produit (configuration T, tendu). Ce déplacement est important pour comprendre la pathogenèse de la falciformation: la polymérisation se produit lors du passage à la configuration T (Van Eps et al., 1997; modifié de Dickerson et al., 1983; fig. 3-3).

Figure 3-3: "respiration" de l'hémoglobine Affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène

L'affinité de l'Hb pour l’oxygène est modifiée par des effecteurs qui permettent, in vivo, d'adapter sa libération en fonction des besoins: les protons H⁺, le CO₂, les ions Cl^-, le 2,3-DPG, la température. L'augmentation de chacun de ces facteurs diminue l’affinité de l'Hb pour l'oxygène et déplace la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine (HbO2) vers la droite et, par cet effet, favorise une meilleure oxygénation tissulaire (Lian et al., 1971).

L'équilibre hémoglobine-oxygène est affecté par le pH: plus le pH de la solution d'hémoglobine augmente, plus grand est le pourcentage de saturation pour l'oxygène. L'hémoglobine s'ionise en libérant un H⁺ pour chaque oxygène selon l'équation: HbH⁺ + O₂ = HbO₂ + H⁺ (Benesch et al., 1977). Dans cette équation HbH⁺ est la sous-unité protonisée de la molécule de désoxyhémoglobine. Cette réaction est réversible, l'augmentation de la concentration en ions hydrogène provoque un déplacement de l'équilibre vers la "gauche", diminuant le pourcentage de saturation. Leur diminution provoquera le déplacement de l'équilibre vers la "droite", augmentant le pourcentage de saturation. Cet effet du pH sur l'équilibre oxygène-hémoglobine est appelé "Effet Bohr" (Bohr et al., 1904).

L’hémoglobine S (HbS)

La substitution de l'acide glutamique par la valine "démasque" les zones de contacts hydrophobes (normalement enfouies à l'état oxygéné) lorsque l'hémoglobine perd son oxygène. Ceci favorise des liaisons hydrophobes au niveau de certains sites peptidiques avec une ou plusieurs autres molécules de HbS induisant la polymérisation et la formation d'un cristal non soluble de la déoxyHbS. Cette cristallisation provoque la déformation du globule rouge.

Affinité de HbS pour l'oxygène

La diminution de l'affinité de HbS est plus importante que le voudrait l'augmentation de taux de 2,3-DPG. Ce taux élevé de 2,3-DPG entraîne un déplacement plus marqué à droite qu'en présence de HbA. L'explication réside dans le phénomène de gélation intra-érythrocytaire. Aux températures inférieures à 10°, la gélation est inhibée, il y a superposition des comportements oxyphériques de HbA et de HbS. La différence apparaît au fur à mesure de l'élévation de la température (Benesch et al., 1977; Poillon et al., 1990).

Rhéologie du sang

La rhéologie décrit l'écoulement de tout type de matériau, en particulier des fluides, incluant leurs caractéristiques propres et celles des canaux par lesquels ils s'écoulent. Poiseuille (1841) démontre que l'écoulement volumétrique est directement proportionnel à la différence de pression le long d'un tube et à la quatrième puissance du rayon du tube

soit: R = 8ηl/7πr⁴, si r est constant ("η" est le coefficient de viscosité). Les unités utilisées sont le Pascal-seconde (Pa·s), d'anciennes unités sont toujours utilisées, le Poiseuille (1 Pl = 1 Pa·s) ou la poise (1 Po = 0,1 Pl = 0,1 Pa·s).

Modification moléculaire de HbS

Le milieu intra-érythrocytaire est un fluide paracristallin de haute viscosité. Les 270 millions de molécules de Hb contenues dans chaque hématie sont pratiquement en contact les unes avec les autres; des forces répulsives les empêchent de polymériser. Murayama (1966) énonce les premières hypothèses concernant les bases moléculaires de la gélation de la désoxyHbS en structures fibreuses tubulaires, à l'intérieur des hématies: les molécules échangent des liaisons et forment un gel constitué de longues chaînes (tactoïdes; Murayama, 1966; fig. 3-4) déformant les globules en forme de faucille.

Figure 3-4: micrographie électronique d'hémoglobine S et d'un microtubule d'hémoglobine creux de diamètre de 170 Å (extérieur), de 40 Å (intérieur)

Après désoxygénation la cinétique de la gélation de HbS est en accord avec un seuil de nucléation (Behe et al., 1978).

Hofrichter et al. (1974) l'interprètent en terme de limite de nucléation, suivie de croissance rapide des microtubules.

Les agrégats pré nucléaires, cinétiquement instables, sont susceptibles de dissociation rapide, si ce n'est qu'à l'étape de formation du noyau (HN) la réversibilité est abolie et le noyau capable de soutenir une croissance rapide. Le schéma le plus simple pour produire un noyau suffisant, implique l'adjonction séquentielle de molécule d'HbS à un nombre grandissant d'ensembles de pré nucléation (fig. 3-5).

Figure 3-5: mécanisme de nucléation et de croissance (modifié de Dean et al., 1978)

L'hémoglobine S dans les globules rouges entraîne trois conséquences:

- la diminution de la solubilité de Hb par réduction de la saturation en O2 entraînant la formation d'agrégats polymériques et de fibres de molécules de HbS qui déforment et fragilisent les érythrocytes;

- les agrégats polymériques de HbS dans les globules fixent peu ou pas d'oxygène (la diminution de l'affinité pour O₂ des globules porteurs de l'HbS est aggravée par l'élévation importante de la 2,3-DPG);

- la rigidification des globules par polymérisation intracellulaire des molécules de HbS (fig. 3-6; 3-7).

H

H

H

. . . . H

H

Croissance

H

H

H

. . . . H

H

Croissance

Figure 3-6: hémoglobine cristalline en faisceaux d'aiguilles (Bessis et al., 1958)

Figure 3-7: drépanocyte rempli de fibres de HbS (plusieurs fibres (flèches) perforent la paroi cellulaire, gel formé de cristaux allongés longs de 1 à 15 µm.

http://gingi.uchicago.edu/hbs.html

(Publié le 27.01.98, consulté le 25.06.2009; Lewis et al., 1994;

Barrère et al., 2001)

Condition d'écoulement

Si les hématies s'allongent et s'effilent "en bancs de poissons" leur profil altère peu la dynamique de l'écoulement et permet aux hématies de franchir des vaisseaux de petit calibre. La viscosité fonction de la désoxygénation présente une hystérèse dans les cycles de "gelling/ungelling" (Briehl et al., 1994). Une rhéologie anormale des drépanocytes régule le débit dans la microcirculation. La drépanocytose, par polymérisation de la désoxyHbS sous forme d'un gel extrêmement visqueux rend les érythrocytes susceptibles d'obstruer la micro vascularisation (Evans et al., 1984; Wang et al., 2002). Les ISC ("Irreversibly Sickled Cells"), rigides, tourbillonnant en tous sens, créant des rouleaux, sont très anormales sur le plan rhéologique: peu déformables, susceptibles d'adhérer à l'endothélium, surtout dans les secteurs vasculaires soumis à inflammation. Plus important que sa dimension réelle, le "volume efficace" d'une particule dépend de sa forme et de son comportement dans le courant: l'assymétrie et les oscillations augmentent le volume du milieu affecté et son influence sur la viscosité (fig. 3-8, 3-9; Baskurt, 2003).

Figure 3-8: effet de forme sur l'écoulement des globules suspendus dans le plasma (A) écoulement du plasma sans globule (écoulement laminaire) (B) distorsion minime (globules déformables)

(C) écoulement tourbillonaire (aggrégats de globules, volume affecté)

Figure 3-9: déformation des globules dans la microcirculation (Baskurt et al., 2003)

A

B

C

A

B

C

Hématocrite (%)

0 25 50 75

5 10 15 25

Viscosité(mPa.sec)

0

Hématocrite (%)

0 25 50 75

5 10 15 25

Viscosité(mPa.sec)

0 Concentration en hémoglobine

La concentration en hémoglobine des érythrocytes dans le sang normal, varie dans des limites définies:

- une majorité des cellules (supérieure à 90%) a une concentration en hémoglobine de 29-35 g/dl;

- 5% à 10% des cellules ont une concentration supérieure à 37 g/dl;

- moins de 1% sont au dessus de 40 g/dl.

La distribution de densité est très élargie dans la drépanocytose. Il est courant de trouver (Evans et al., 1984) - 90% d'érythrocytes ayant une concentration d'hémoglobine supérieure à 37 g/dl;

- entre 5 et 10% des drépanocytes avec une concentration d'hémoglobine de 42-44 g/dl - 2-3% de cellules avec une concentration de 46-48 g/dl.

Hématocrite

La viscosité du sang est liée à la valeur de l'hématocrite, à la viscosité du plasma (phase portante) et aux propriétés rhéologiques des globules (99% des éléments cellulaires, fig. 3-10; Baskurt et al., 2003). Pour un hématocrite de 25%, une diminution de la saturation en O2 de 92% à 46% augmente peu la viscosité, alors qu'à une valeur d'hématocrite de 45%, une réduction semblable de la saturation d'oxygène augmente significativement la viscosité.

Figure 3-10: effet de l'hématocrite sur la viscosité sanguine (modifié de Baskurt et al., 2003) Saturation en oxygène

Une hyperviscosité sanguine est observée dans le sang des patients SS, fonction du pH et de la pO₂, même oxygénée elle est supérieure à la normale. L'augmentation de rigidité des drépanocytes à haute concentration d'hémoglobine influence la dynamique circulatoire: le taux réduit d'admission d'érythrocytes dans les petits capillaires et la réduction de la vitesse d'écoulement, réduisent la distribution d'oxygène. La rigidité statique augmentée piège les cellules dans les capillaires, l'augmentation de rigidité dynamique y prolonge leur séjour, augmentant le contact avec les macrophages. La persistance d'une morphologie anormale dans "Irreversibly Sickled Cell" après réoxygénation suggère des altérations membranaires par rapport aux érythrocytes normaux (Rice-Evans, 1986).

Obstruction vasculaire

L'effet de désoxygénation sur la déformabilité des globules SS a été quantifié par utilisation de filtres soigneusement calibrés (porosité de 5 µm). L'augmentation de pression et de résistance relative pendant la filtration augmente progressivement quand la pO2 des globules SS en suspension est réduite sous 80 mm/Hg. Le micro filtrage d'érythrocytes HbAA ne montre aucun changement significatif avec la chute de pO2 jusqu'à 20 mm/Hg. Des contrôles sur cellules HbAA ne montrent aucun changement significatif des paramètres après désoxygénation (Usami et al., 1975).

La probabilité augmentée de polymérisation de l'hémoglobine dans les cellules est la conséquence d'un temps de transit plus long dans des zones de basse tension en O₂. Les drépanocytes à concentration d'hémoglobine élevée peuvent générer des polymères de HbS, même aux valeurs de saturation d'oxygène artérielles. Les cellules déjà rigides peuvent davantage retarder l'écoulement capillaire et provoquer une vaso-occlusion.

Pour de hauts débits la viscosité du sang SS oxygéné, à un hématocrite de 25%, moindre que celle du sang normal à un hématocrite de 45%, alors qu'à hématocrite équivalent la viscosité du sang SS oxygéné est presque double de la normale (fig. 3-11; Horne, 1981).

La falciformation

La falciformation provient de la gélation intra érythrocytaire de l'hémoglobine et dépend de:

- la concentration minimum de gélation à partir de laquelle se déclenche le processus (24 g/dl à 20° pour la désoxyHbS, variable suivant le mélange de HbS et d'une autre Hb (Ranney, 1954);

- la concentration où la désoxyHbS cristallise, sa forme oxygénée reste soluble (différence d'exposition des résidus entre les deux configurations moléculaires).

Bien que la polymérisation soit réversible par oxygénation, on n'assiste pas pour autant à leur disparition complète.

Quatre à 44% de cellules dans le sang capillaire oxygéné d'individus HbSS maintiennent leur déformation (Serjeant et al., 1969). La viscosité élevée du sang désoxygéné des patients SS et la réversibilité de la falciformation sont liées à la polymérisation intracellulaire de filaments de polymères de l'hémoglobine S (Palek, 1977). Lors du processus de réoxygénation la membrane des globules est altérée, aboutissant à la formation des ISC, processus stochastique effectif dès la libération de cellules de la moelle. Les érythrocytes SS avec une hémoglobine F basse sont particulièrement susceptibles de sickling irréversible (Bertles et al., 1968).

Figure 3-11: viscosité en fonction du débit, pour différentes conditions d'hématocrite et de saturation en O₂ Hydratation des globules

Les propriétés rhéologiques des drépanocytes déshydratés ne sont que partiellement réversibles par hydratation, suggérant des changements squelettiques membraneux permanents, impliqués dans le processus de rigidification.

Néanmoins, la réduction de la concentration d'hémoglobine de cellule par leur dilatation ou la prévention de la génération de cellules déshydratées devrait améliorer leur compétence rhéologique. Clark et al. (1980) étudient la déformabilité cellulaire de populations de ISC pour conclure que la déshydratation et l'augmentation de la viscosité interne sont responsables des anomalies rhéologiques, progressives et cumulatives. La concentration d'hémoglobine cytoplasmique semble avoir un effet prépondérant. La déshydratation influence la rigidité en augmentant la concentration d'hémoglobine via un gel réversible de Hb associé à la membrane, en augmentant sa viscosité cytoplasmique. Le risque augmenté de polymérisation dans les cellules est la conséquence du temps de transit plus long dans des zones de basse tension d'oxygène: les cellules rigides retardent ou bloquent l'écoulement capillaire (Linderkamp et al.,1982) par:

- liaison augmentée de HbS avec la membrane, aux concentrations d'hémoglobine élevées, formant un gel;

- une augmentation du "cross-link" des protéines squelettiques.

Propriété rhéologique importante, la récupération de la forme cellulaire après déformation lente (quelques minutes) évalue la tendance des cellules à maintenir une déformation permanente, plus longue que le temps de transit capillaire, qui pourrait être impliquée dans la production d'ISCs. La rhéologie anormale du drépanocyte peut changer cette distribution et, dans les cas sévères, provoquer une occlusion capillaire, quand leur déformation devient irréversible.

Les contributions relatives de la membrane et du cytoplasme dans la déformabilité des drépanocytes sont mal connues.

Il est vraisemblable que la déformabilité module le taux d'admission des érythrocytes dans les capillaires et influence la perte de pression quand ils sont de calibre inférieur au diamètre de la cellule (Evans et al., 1984).

Altérations cellulaires

Aux variations quantitatives s'ajoutent les défauts qualitatifs des hématies, faisant obstacle à leur déformation (Bursaux et al., 1983). Il ne faut pas négliger le rôle des autres éléments figurés. L'interaction cellulaire est constante dans le dérèglement de la viscosité et des propriétés de déformation des cellules. Les altérations de membrane par polymérisation intracellulaire de HbS deviennent graduellement irréversibles, cause de destruction prématurée des globules, d'un comportement rhéologique anormal dans la microcirculation, d'occlusion vasculaire disséminée et d'hypoxie des organes.

Facteurs plasmatiques

Un taux élevé de fibrine augmente la viscosité plasmatique et favorise rouleaux et agrégats cellulaires. Dans le même sens, agissent les protéines inflammatoires déséquilibrant l'électrophorèse des protéines. A l'inverse, la diminution de l'albumine, souvent observée au cours de l'hyperviscosité, est également active, facilitant l'interaction cellulaire et les désordres ioniques au niveau des membranes des cellules.

Adhésion des hématies à l'endothélium vasculaire

L'adhésion des hématies aux cellules endothéliales déclenche des crises, souvent répétées. Le concept d'interaction entre drépanocytes et endothélium a été avancé (Hebbel et al., 1980), suggérant un lien entre la nature inflammatoire de la drépanocytose et l'état microvasculaire. L'hypoxie ou un état inflammatoire, augmentent les interactions à caractère adhésif dans le complexe endothélium-leucocytes-érythrocytes à l'étage post-capillaire, amorçant l'occlusion.

La forme et la rigidité des érythrocytes drépanocytaires sont tenues responsables des occlusions microvasculaires sans que n'existe pour autant une corrélation entre l'expression clinique et la présence de globules falciformés (Hebbel et al., 1980). Le drépanocyte pourrait adhérer plus à l'endothélium que les globules normaux: sur les plaques de culture les globules normaux sont distribués au hasard, alors que les drépanocytes se groupent autour des cellules endothéliales. L'adhérence du drépanocyte augmente considérablement avec la densité cellulaire, phénomène qui s'expliquerait par l'accumulation de dommages membranaires en cours de vieillissement (Rice-Evans et al., 1986). Les drépanocytes adhèrent aux groupes de cellules endothéliales confluentes (fig. 3-12; Hebbel et al., 1980).

Dans la micro circulation, cette attraction peut prolonger le temps de passage des globules, favoriser l'hypoxie et amorcer le "sickling" (Kaul, 2004). L'augmentation de la cAMP intracellulaire accroît l'adhésion des GRs SS, sans affecter les globules normaux. Parmi la famille ICAM de protéines adhésives, ICAM-4 est unique dans son expression sur les cellules rouges. ICAM-4 s'attache à un réseau d'intégrines, plusieurs αV intégrines, β₂ intégrines et α₄β1

intégrines, suggérant de multiples fonctions pour cette molécule d'adhésion.

Figure 3-12: (A) les drépanocytes se groupent en rosettes sur une plaque autour des cellules endothéliales (B) distribution (au hasard) des rares GR normaux restant après cinq lavages (Hebbel et al., 1980) Altération du passage vasculaire

Au niveau des capillaires, tout concourt à réaliser de mauvaises conditions rhéologiques: hématocrite élevé, pO₂ basse (25 à 40 mm/Hg), temps de transit long, pouvant conduire à la gélation de HbS et à la falciformation en un temps extrêmement court. L'altération majeure du sang drépanocytaire est la diminution de la déformabilité des globules, par polymérisation de HbS, à ses lésions membranaires et à l'hyperviscosité liée à l'augmentation de la concentration intracellulaire des molécules d'hémoglobines polymérisées.

Modifications membranaires des globules rouges

La principale manifestation de l'atteinte membranaire par la falciformation est une déformation du globule, dû à la polymérisation de l'hémoglobine, affectant la membrane mécaniquement fragilisée. Les propriétés rhéologiques qui caractérisent l'érythrocyte incluent la déformabilité de la membrane (rigidité statique) et un "recoverability factor" qui décrit le comportement anélastique après déformation, réduit pour les cellules déshydratées. Le facteur "récupération", mesure de l'étendue du comportement anélastique. Un gel d'hémoglobine, réversible, adjacent à la membrane serait responsable du comportement anélastique. (Eisinger et al., 1982) ont montré que la concentration en hème dans la couche limite membraneuse était plus grande que celle à l'intérieur de cellule.

Les agressions morphologiques répétées s'accompagnent d'un phénomène de vésiculation de la membrane, comparable à un vieillissement accéléré: les lésions deviennent rapidement irréversibles (la maladie est qualifiée de "maladie de la membrane érythrocytaire" (Hebel et al., 1980; Allen et al., 1981). Au début l'agression mécanique de la membrane des drépanocytes par les cristaux d'hémoglobine, conduit à des lésions partiellement réversibles. Les agressions morphologiques répétées vont lentement entraîner une rigidification complète et irréversible. Elle est aussi considérée comme une "maladie rhéologique". La polymérisation de HbS dans le globule rouge induit des modifications de la membrane. La déformation physique de la cellule entraîne la libération des microvésicules (Eaton et al., 1979; Evans et al., 1984). L'évaluation des réponses aux déformations pourrait aider à comprendre les rôles relatifs de la membrane et du cytoplasme dans la rhéologie cellulaire. La rigidité, la déformabilité cellulaire dépendent de facteurs intrinsèques et extrinsèques. Les variables importantes qui influencent les propriétés micro-rhéologiques des globules normaux et des drépanocytes sont les propriétés intrinsèques. Elles incluent l'extension membranaire et la déformabilité, la réponse en valeur temps de la membrane à l'extension et à la déformation, la récupération de forme après déformation

Passage de capillaire

Flux sanguin Viscosité

sanguine Agrégation

GR Déformation

GR

Trauma de

membrane GR Viscosité

interne

Gélification HbS

Oxygénation tissulaire

Vitess e de ci sa ill eme nt

Passage de capillaire

Flux sanguin Viscosité

sanguine Agrégation

GR Déformation

GR

Trauma de

membrane GR Viscosité

interne

Gélification HbS

Oxygénation tissulaire

Vitess e de ci sa ill eme nt

et les propriétés cytoplasmiques (viscosité et élasticité). Les érythrocytes pénétrant dans de petits capillaires sont étirés, "tordus et pliés", déformations qui produisent:

- une extension de la membrane sans changement de surface (carré devenant rectangle sans changer d'aire);

- une extension ou torsion membranaire;

- un cisaillement du cytoplasme.

Discussion

L’inclusion de l’hémoglobine dans les hématies représente un gain important, protégé par un système enzymatique, elle se conserve pendant les 120 jours de la survie du globule rouge. Cette acquisition est importante car si le sang était dépourvu d’hémoglobine, il faudrait 250 litres de sang (au lieu de 3 à 5 litres) pour assurer la totalité des échanges gazeux (Dreyfus, 1994). Les globules "gélifiés" moins déformables que normalement, produisent des gels visqueux, affectant les propriétés rhéologiques (Briehl et al., 1994). La forme des globules rouges des sujets drépanocytaires change lors de la désoxygénation. Normalement biconcaves, elles deviennent spiculées et prennent un aspect en faucille, en feuille de houx ou en banane (Bessis, 1958; Charache et al., 1964; Rampling, 1973; Dickerson et al., 1982). Les faibles débits dans la drépanocytose peuvent induire des cercles vicieux par diminution de la tension en O2

des tissus.

L'anémie drépanocytaire résulte de la polymérisation intracellulaire de HbS sous forme de fibres rigides, visibles en microscopie électronique. Les lésions membranaires correspondent à une perte de matériel protéique et à une réorganisation de la distribution des lipides au sein de la membrane. La perméabilité aux ions des cellules déformées est modifiée entraînant une fuite du potassium intracellulaire et une accumulation de calcium. La déformabilité diminue pour aboutir à une rigidification irréversible des drépanocytes (Padilla et al., 1973). La physiopathologie classique "polymérisation de HbS, falciformation des globules rouges, vaso-occlusion et anémie hémolytique" s’avère insuffisante pour expliquer les anomalies et le polymorphisme clinique observé dans cette maladie. Les aspects de la vaso-obstruction auraient beaucoup d’analogie avec les syndromes d’ischémie et les vascularites inflammatoires.

D’autres phénomènes sont impliqués dans la succession de la vaso-occlusion (Wajcman et al., 1981; Elion et al., 1996;

Chien, 1997; Labie at al., 1998; Kaul et al., 2000; Galacteros, 2001; Dorn-Beineke et al., 2002; Blum et al., 2005).

Conclusion

Dans la forme tétramérique de l'hémoglobine normale, la liaison avec l'oxygène, ou formation d'oxyhémoglobine, est un procédé coopératif, ou allostérique, où l'affinité de liaison de l'hémoglobine pour l'oxygène est affectée par la saturation en oxygène de la molécule. L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène décroît en présence de dioxyde de carbone, à pH faible et lorsque la température augmente. Ces propriétés chimiques sont essentielles, elles permettent une meilleure libération d’oxygène dans les tissus (Allen et al., 1954). La drépanocytose, maladie hématologique, moléculaire, héréditaire, est accompagnée de troubles rhéologiques et inflammatoires. La connaissance de sa physiopathologie est à la base de la recherche médicale des thérapies modernes de la drépanocytose (Murayama et al., 1973). L'écoulement lent du sang, dans la drépanocytose, induit un cercle vicieux en diminuant la tension en oxygène du tissu, réduisant le cisaillement nécessaire à la déformation cellulaire, prévenant une impédance visqueuse excessive après désoxygénation, pouvant optimiser la livraison d'oxygène (Chien, 1977; fig. 3-13).

Figure 3-13: cercles vicieux de la drépanocytose (modifié de Chien, 1977)