Distribution de la vitesse des globules rouges mesurée et cartographiée via la nouvelle méthode conçue par l’équipe Skoltech-SSU. Chaque pointe de flèche correspond à une cellule, avec la vitesse codée par couleur du bleu (lent) au vert (modéré) au rouge (rapide). Crédit : Maxim Kurochkin/Skoltech
Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo et de l’Université d’État de Saratov ont mis au point une méthode peu coûteuse pour visualiser le flux sanguin dans le cerveau. La nouvelle technique est si précise qu’elle discerne les mouvements des globules rouges individuels, le tout sans l’utilisation d’agents de teinture toxiques ou de génie génétique coûteux. L’étude a été publiée dans Le Journal Physique Européen Plus.
Pour mieux comprendre le fonctionnement de l’approvisionnement en sang du cerveau, les chercheurs cartographient ses réseaux de vaisseaux sanguins. Les visualisations résultantes peuvent s’appuyer sur une variété de méthodes. Une technique très précise consiste à injecter des colorants fluorescents dans le flux sanguin et à détecter la lumière infrarouge qu’ils émettent. Le problème avec les colorants est qu’ils sont toxiques et peuvent également fausser les résultats de la cartographie en affectant les vaisseaux. Alternativement, les chercheurs emploient des animaux génétiquement modifiés, dont la paroi intérieure des vaisseaux sanguins est conçue pour émettre de la lumière sans aucune substance étrangère impliquée. Les deux méthodes sont cependant très coûteuses.
Des chercheurs de Skoltech et de l’Université d’État de Saratov ont mis au point une méthode peu coûteuse pour visualiser même les plus petits capillaires du cerveau. La méthode – qui intègre la microscopie optique et le traitement d’images – est sans colorant et très fine, en raison de sa capacité à détecter chaque globule rouge voyageant le long d’un vaisseau sanguin. Étant donné que le nombre de globules rouges dans les capillaires n’est pas si élevé, chaque cellule compte, c’est donc un avantage important par rapport aux autres méthodes, y compris celles sans colorant.
Une carte reconstruite du réseau de vaisseaux sanguins dans un embryon de poulet obtenue par filtrage adaptatif de seuil image par image d’une série d’images de globules rouges en mouvement. Crédit : Maxim Kurochkin/Skoltech
« Notre méthode utilise ce que l’on appelle le filtrage image par image pour traiter les images cérébrales obtenues avec un microscope optique ordinaire disponible dans n’importe quel laboratoire. Il nous permet de discerner des globules rouges uniques en mouvement et de construire une carte très détaillée du système vasculaire [blood vessel network], jusque dans les plus petits capillaires. Cela permet à son tour d’évaluer avec précision les débits sanguins dans les vaisseaux via une technique appelée vélocimétrie par image de particules », commente l’auteur principal de l’étude, le chercheur de Skoltech Maxim Kurochkin.
L’équipe a montré l’applicabilité de la méthode en utilisant deux modèles biologiques : le cerveau de souris et l’embryon de poulet. Les chercheurs ont d’abord utilisé les réseaux vasculaires de l’embryon de poulet pour démontrer la possibilité de cartographier même les plus petits capillaires, dans lesquels les mouvements des globules rouges peuvent être inconstants. Après cela, ils ont testé la méthode sur un modèle plus complexe : la vascularisation du cerveau du rat. La technique s’est avérée capable de cartographier les réseaux de vaisseaux sanguins même pour un système avec des vaisseaux plus difficiles à atteindre, sans hématies individuelles discernables, uniquement les motifs de couleur associés aux groupes de vaisseaux.
Pourquoi la cartographie du flux sanguin est-elle importante ?
Les caractéristiques directement fournies par la méthode sont le débit sanguin et le diamètre des vaisseaux. “Mais une fois que vous avez cela, vous pouvez essayer d’extraire plus d’informations: élasticité des vaisseaux, rigidité de la membrane, pression artérielle et viscosité”, explique Kurochkin. « Les physiologistes qui s’appuient sur nos travaux peuvent utiliser ces paramètres pour créer des modèles de circulation sanguine, testables par rapport aux mesures expérimentales des capteurs de pression et de viscosité, par exemple. »
En fin de compte, tout cela conduit à une meilleure compréhension de la physiologie des cellules endothéliales, qui tapissent l’intérieur de tous les vaisseaux sanguins. Et l’état de l’endothélium est lié à pratiquement toutes les maladies cardiovasculaires, qui sont la principale cause de décès dans le monde. En effet, vous obtenez une compréhension de ce qui constitue réellement physiquement une pathologie donnée, que ce soit dans le cerveau ou ailleurs dans le corps.
Un accident vasculaire cérébral hémorragique, par exemple, se produit en raison de l’amincissement des vaisseaux sanguins et de la rupture du cerveau. Plus précisément, lorsqu’un point faible dans la paroi d’un vaisseau se transforme en ce qu’on appelle un anévrisme. « Un modèle vasculaire précis pourrait vous dire à quel point l’amincissement de la paroi d’un vaisseau provoque sa rupture », explique Kurochkin.
La maladie coronarienne résulte d’une réduction du flux sanguin due à l’accumulation de plaques graisseuses sur les parois internes des vaisseaux artériels, réduisant leur diamètre effectif. Lors d’une crise cardiaque, une plaque arrachée obstrue le vaisseau, coupant l’approvisionnement en sang. “Les modèles vasculaires prédisent comment la dilatation, la constriction ou l’obstruction des vaisseaux redistribue le flux sanguin dans le réseau”, ajoute le chercheur.
La santé des vaisseaux sanguins est également indirectement impliquée dans des maladies de nature différente. Par exemple, la nouvelle méthode de visualisation pourrait être appliquée pour étudier les tumeurs, qui consomment des quantités anormalement élevées de nutriments et ont donc tendance à développer de nombreux vaisseaux sanguins. Un autre exemple, parmi les maladies infectieuses, est le paludisme, dans lequel la viscosité du sang devient élevée. En plus de cela, même les conséquences des dommages mécaniques – par exemple dans les ponctions médicales – pourraient être étudiées dans le cadre de la même approche générale pour voir comment le tissu perforé repousse les vaisseaux sanguins.
« Comprendre le comportement des objets qui se retrouvent dans le flux sanguin ne se limite pas aux plaques athérosclérotiques rompues naturellement », poursuit Kurochkin. “Dans l’administration ciblée de médicaments, des microcapsules artificielles contenant des agents thérapeutiques peuvent être introduites dans la circulation sanguine, et les modèles vasculaires sont indispensables pour prédire exactement ce qui leur arrive là-bas.”
Référence : « Vers une imagerie sans marquage du système vasculaire cérébral : approches de filtration spatiale adaptative image par image et approches PIV adaptatives » par Maxim A. Kurochkin, Ivan V. Fedosov & Dmitry E. Postnov, 5 juillet 2021, Le Journal Physique Européen Plus.
DOI : 10.1140 / epjp / s13360-021-01700-9
