Numerical study of blood microcirculation and its interactions with the endothelium

par Brenna Hogan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdul I. Barakat et de Chaouqi Misbah.

Le président du jury était Dominique Chapelle.

Le jury était composé de Abdul I. Barakat, Chaouqi Misbah, Dominique Chapelle, Stéfano Guido, Sauro Succi, Christian Wagner.

Les rapporteurs étaient Stéfano Guido, Sauro Succi.

  • Titre traduit

    Etude numérique de la microcirculation sanguine et de ses interactions avec l'endothélium


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l’étude des interactions entre les globules rouges (GRs)et l’endothélium, la couche des cellules qui délimite les vaisseaux sanguins.Il a été démontré que l’endothélium et les GRs jouent des rôles actifs dans divers processus du système vasculaire, et leurs interactions produisent un signal bio chimique grâce à des moyens à la fois chimiques (molécules de signalisation) et mécaniques (taux de cisaillement sur les parois). D’abord,nous étudions le rôle des GRs, y compris dans des conditions pathologiques, dans la création de contraintes de cisaillement spatialement et temporellement dynamiques sur l’endothélium. Il a été montré que les contraintes de cisaillement constituaient un élément critique dans le déclenchement d’un signal bio mécanique depuis l’endothélium. Par ailleurs, étant donné qu’il a été montré que les parois des vaisseaux sanguins ondulent en raison des cellules endothéliales individuelles qui le composent, nous avons intégré à notre modélisation cette géométrie. On trouve que cette ondulation affecte la dynamique des GRs dans l’écoulement ainsi que le taux de cisaillement sur les parois. Nous étudions rapidement dans quelle mesure la déformabilité d’un GR affecte sa trajectoire dans un vaisseau ondulé. Pour cela, nous nous inspirons du processus de fonctionnement un appareil de déplacement latéral déterministe (DLD) qui utilise les variations de trajectoires des particules en fonction de leur taille pour les séparer dans l’écoulement. Nous étudions par ailleurs l’effet des suspensions de GRs sur les caractéristiques rhéologiques et les contraintes de cisaillement sur la paroi du vaisseau.Finalement, nous nous adressons à les interaction chimiques en développons un modèle numérique avec la méthode de Boltzmann sur réseaux-limite immergée (LB-IBM) pour résoudre la diffusion et l’advectiond’un soluté libéré par un particule en mouvement et déformable. L’oxygène et l’adénosine triphosphate (ATP) sont toutes les deux libérées par les GRs,se diffusent dans l'écoulement, et sont absorbées par l’endothélium. Ils représentent des facteurs de signalisation critiques pour les processus de l’inflammation et vasodilatation. Nous montrons que la morphologie des GRs affectera le temps de résidence et la dilution des espèces chimiques lorsqu’elles rentreront en contact avec la paroi du vaisseau. Ensemble, ces éléments nous conduisent vers la développement d’un modèle capable de simuler des processus vitaux du système vasculaire qui résultent d’événements locaux de composants individuels.


  • Résumé

    This thesis is devoted to the study of the interactions between red blood cells (RBCs) and the endothelium, the monolayer of cells lining blood vessels. The endothelium and RBCs have been shown to be active participants in various processes in the vascular system, and their interactions trigger biochemical signalling by mechanical (wall shear stress) and chemical (signalling molecules) means. We first investigate the role of RBCs, including pathological conditions, in creating time- and space-varying shear stress on the endothelium. Shear stress has been shown to be a critical element in biochemical signalling from the endothelium. In addition, as it has been shown that the endothelium is undulating due to the individual endothelial cells comprising it, we take this into account in our model of the geometry of the vessel wall. We find that this undulation affects the dynamics of the RBCs in the flow and the wall shear stress. We briefly explore how the deformability of a single RBC affects its trajectory in undulating channels, inspired by the idea behind deterministic lateral displacement devices (DLDs) which exploit the differing trajectories of particles based upon their sizes to separate them in flow. We also investigate the effect of suspensions of RBCs in undulating channels on rheological properties and wall shear stress. Finally, we address the chemical interactions by building a numerical model with the lattice Boltzmann-immersed boundary method (LB-IBM) to solve advection-diffusion of solute released from moving, deformable particles. Oxygen and adenosine triphosphate (ATP) are both released by RBCs and are advected and diffused in the flow and uptaken by the endothelium and serve as critical signalling factors in inflammation and vasodilation. We find that the morphology of RBCs will affect the residence time and dilution of the chemical species upon contact with the wall. Together, these elements lead us towards the development of a model capable of simulating vital processes in the vascular system which result from local interactions of individual components.


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