Santé

Les vaisseaux 3D : des "lits de rivières" à trois dimensions

Dossier - Formation des artères et des veines
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L'étude de la morphogenèse est une branche de la physique, comme de la biologie, qui cherche à comprendre par quels mécanismes une forme apparaît et se développe. Il existe bien entendu un nombre illimité de formes possibles, et toutes ne sont pas des objets d'étude pour physiciens.

  
DossiersFormation des artères et des veines
 

Ayant étudié ce cas bi-dimensionnel, je me suis penché sur le cas tri-dimensionnel, qui est en fait le plus courant. Les tissus strictement 2D n'existent pas. Même des peaux très fines comme la rétine ou le sac vitellin, ou la peau de l'oreille sont 3D à l'échelle des vaisseaux. Ici le "mystère" de la formation des arbres vasculaires tient à ce que tous les vaisseaux des deux types (artères et veines) se croisent dans tous les sens dans un désordre apparent, mais se connectent pourtant très naturellement par les capillaires. Voici le type d'arborescence qu'il s'agit de comprendre :

Image de vaisseaux sanguins à 3D, moulage de l'intérieur des vaisseaux obtenu par(copyright) P. Simoens, docteur de l'Université de Gand

Comment une telle structure peut-elle se former ? J'ai montré qu'on peut construire très naturellement un enchevêtrement de ce type en invoquant deux processus de croissance de vaisseaux comme décrit ci-dessus, imbriqués l'un dans l'autre à travers le même lacis capillaire tri-dimensionnel, à condition de tenir compte d'un effet connu en biologie : la régression capillaire.

Il est connu, en effet, qu'au fur et à mesure que les vaisseaux principaux se forment, ils se détachent, sur leurs côtés, des capillaires, ne restant connectés à ces derniers que par les extrémités. Les capillaires eux-mêmes finissent même par disparaître tout à fait (ils "fondent", pour ainsi dire). En tenant compte de cette particularité, on peut construire des arbres "entrelacés" qui possèdent cette structure imbriquée, apparemment désordonnée, mais qui permet la connection des artères et des veines par leurs extrémités, qui drainent les parties plus éloignées du tissu. La déconnection des capilalires est visible sur l'image de P. Simoens ci-dessus dans le fait que les gros vaisseaux ne semblent pas avoir directement des tous petits à leurs côtés.

Pour simuler ce type d'enchevêtrement, on fait d'abord croître un arbre "artériel", qui se déconnecte des capillaires; cet arbre est obtenu en agrandissant progressivement les tuyaux dans les directions de fort écoulement (comme pour le sable sur la plage). Puis, on fait croître un arbre "veineux" qui croît dans les capillaires non occupés par les artères. Veines et artères se croisent ainsi "sans se voir". Elles sont néanmoins connectées par leurs extrémités, et l'on peut montrer que, statistiquement, les veines tendent à rechercher les extrémités des artères, ce qui "apparie" naturellement les veines et les artères (cet effet est observé dans la nature).

En outre le mécanisme proposé permet d'expliquer la phylogénie (l'évolution) de cette vasculature. Le raisonnement est le suivant : dans des temps anciens, les tissus étaient simplement irrigués par un lacis de capillaires, où les gros vaisseaux étaient absents. C'est toujours le cas dans des régions de petite taille du corps, ou bien pour certains animaux très petits. Peu à peu, la sensibilité aux forces des cellules des vaisseaux s'est mise en place, provoquant ainsi la possibilité d'élargissement des vaisseaux, et donc la possibilité de drainer plus facilement des régions éloignées, ce qui, dans le même temps, a permis l'accroissement de la taille des animaux.

Image d'une vasculature d'artères et de veines enchevêtrées obtenue par le modèle que j'ai développé avec L. Schwartz. Les artères et les veines communiquent par les capillaires (non représentés), qui relient leurs extrémités. Les flèches indiquent le sens de l'écoulement veineux et artériel (qui peut d'ailleurs être calculé exactement dans la “tuyauterie”).