Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de jun/jui/aoû 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 3,9 Mo

  • Dans ce numéro : l'observatoire spatial Fermi.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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Modélisation du fonctionnement du néphron Pour décrire tout cela de façon plus quantitative et afin d’envisager la conception d’un système biomimétique, nous avons dû écrire des équations pour savoir comment les proportions d’eau, de sel et d’urée évoluent le long de chaque branche et dans l’interstice. Nous ne décrirons pas les échanges entre l’interstice et le sang, qui sont annexes et qui compliqueraient significativement le modèle. Écrire et résoudre les quinze équations aux dérivées partielles du modèle est un peu fastidieux. Mais, heureusement, il n’y a vraiment que deux équations capitales  : celles qui décrivent (i) le pompage du sel et (ii) la réabsorption de l’eau à travers la paroi du néphron. Ces équations ont été résolues sur ordinateur. Intéressons-nous ici aux résultats. Pour plus d’information, on peut consulter l’animation associée sur le blog « Le Rayon » (https://jeunes.sfpnet.fr/2017/04/11/sinspirer-du-rein-pour-filtrer-leau/). G 22 Reflets de la Physique n°58 D G A D A Nous allons nous concentrer pour l’instant sur la première partie de la filtration dans la boucle de Henle, c’est-à-dire uniquement à ce qui se passe dans la branche descendante puis dans la branche ascendante. On voit sur la figure 3 les proportions de sel, d’eau et d’urée dans les différentes zones, après un arrivage d’urée dans le néphron. Le long de la branche descendante, la proportion d’eau diminue en descendant, correspondant à la réabsorption par osmose dans l’interstice. Le long de la branche ascendante, c’est la proportion en sel qui diminue, car celui-ci est pompé dans l’interstice. Tout fonctionne comme prévu. Sauf que si on y met des chiffres, on se rend compte qu’au mieux, la boucle de Henle est capable de recycler seulement 90% de l’eau entrante. Le débit entrant étant de 200 litres par jour, ceci voudrait dire qu’on perdrait 20 litres de liquide par jour par nos urines ! Vous n’y survivriez pas longtemps. Heureusement tout ceci n’est qu’un modèle, et on va essayer de comprendre ce qui manque ! Arrivée d’eau polluée CC urée sel eau 200 L/jour a b CC D Sortie Arrivée d’eau d’eau propre polluée sel urée sel eau 198 L/jour eau o 200 L/jour Sortie d’eau propre sel eau 198 L/jour Dans le néphron (retour à la figure 2), après la boucle de Henle (branche descendante D et branche ascendante A), il y a un canal collecteur (CC). Le long de la paroi du canal collecteur, il y a également des aquaporines qui permettent à l’eau de passer de l’interstice au canal collecteur et réciproquement. À ce stade, l’interstice est relativement salé, et le mélange eau/urée qui entre dans le canal collecteur est très peu salé  : un courant d’eau s’établit donc du canal collecteur vers l’interstice. C’est ce qu’on observe dans la dernière branche CC de la figure 3. Ainsi, une deuxième étape de réabsorption est permise. On constate la même chose si on poursuit la résolution des équations. Cette fois, on trouve qu’au mieux, la boucle de Henle et le canal collecteur qui suit sont capables de recycler 99% de l’eau entrante. Ceci implique qu’on perdrait deux litres par jour dans nos urines, ce qui est bien le cas ! Le modèle est donc cohérent avec la réalité. 4+ - membrane passive perméable uniquement à l’eau membrane active pompe à sel (imperméable à l’eau) Sortie d’eau très concentrée en polluant urée eau 2 L/jour 2. Principe de fonctionnement du néphron. a) Illustration du fonctionnement d’une boucle de Henle, détaillé dans le texte. Les vaisseaux sanguins sont représentés en rouge (pour le sang arrivant du cœur) et en bleu (pour le sang repartant vers le cœur). La boucle de Henle est représentée en beige, avec (D) la branche descendante et (A) la branche ascendante. (CC) est le canal collecteur. L’interstice (I) est un tissu fortement vascularisé qui peut échanger avec les vaisseaux sanguins et la boucle de Henle. Les flèches bleues représentent le transport de l’eau et les flèches vertes le transport du sel. b) Schéma équivalent au fonctionnement du rein (pour le circuit de la boucle de Henle et de l’interstice, sans modéliser les échanges sanguins) en utilisant des membranes commerciales, et duquel on peut s’inspirer pour créer de nouveaux systèmes de filtration en laboratoire. D A A CC membrane passive perméable uniquement à l’eau membrane active pompe à sel (imperméable à l’eau) CC Sortie d’eau très concentrée en polluant urée eau 2 L/jour
Développement d’un système de filtrage inspiré du rein humain Dans un contexte actuel de développement durable, nous sommes intéressés par la consommation énergétique du système. En écrivant quelques équations supplémentaires, on constate que le système de la boucle de Henle seule consomme juste un peu plus que les systèmes de passoires traditionnels. En revanche, le système de la boucle de Henle additionné du canal collecteur consomme bien moins d’énergie que les systèmes traditionnels ; d’ailleurs, plus on veut filtrer de façon précise, plus le gain énergétique de cette solution est important ! La dernière branche du néphron, le canal collecteur, est donc un point clé pour effectuer une filtration efficace. Aujourd’hui, nous avons presque tous les outils en laboratoire pour réaliser un premier prototype de la boucle de Henle (on commence par la boucle seule, car c’est déjà bien assez compliqué). La difficulté réside dans le fait qu’il faut manipuler des systèmes à la pointe de la technologie. D’abord, il faut constituer un système avec des canaux très fins. En effet, pour que le dispositif fonctionne au mieux, les canaux (branche ascendante, branche descendante et canal collecteur) doivent être de très petits diamètres et très longs. Pour ce faire, on creuse de tout petits canaux dans du plastique mou, couramment utilisé pour faire toutes sortes de dispositifs, notamment biomédicaux en microfluidique*. Ensuite on insère des membranes très fines qui servent à mimer les aquaporines et les pompes à sel (parce que tout ça – les aquaporines et les pompes – nous ne savons pas encore le reproduire exactement !). Nous utilisons des membranes classiques qui ne laissent passer que l’eau pour mimer les aquaporines, et des membranes chargées électriquement qui ne laissent passer que le sel pour mimer les pompes. Nous ajoutons à cela un système de très fines électrodes afin d’appliquer un champ électrique qui permet de « tirer » le sel d’un côté à l’autre. La production avance et, après avoir testé séparément notre système de pompe à sel d’un côté et celui de membrane perméable seulement à l’eau, nous allons bientôt tout assembler, et voir si nous pouvons concentrer... non pas de l’urée car il n’est pas évident de s’en procurer, mais du sucre ! L’ultime difficulté réside N., D I A dans le fait qu’en assemblant ce dispositif, nous obtenons un système microfluidique tridimensionnel, ce qui n’a jamais été fait jusqu’alors. Ceci pose de nombreux défis, notamment pour garantir que l’appareil est bien hermétique et qu’il ne fuit pas ! Ce système de « rein-sur-puce » constitue potentiellement une avancée significative dans le domaine de la filtration. Cette approche, qui tire avantage d’une géométrie très spécifique (en forme de double « U ») , est plus efficace que l’approche traditionnelle de type « passoire ». Dans un futur pas si lointain, on peut imaginer que ce système puisse être utilisé pour prétraiter Avancées de la recherche r urée I sel 3. Le néphron en fonctionnement. Débits relatifs d’urée, de sel et d’eau dans les différentes parties du néphron. Initialement (dans la branche descendante) la proportion d’urée est très faible et ne se voit pas. Pour rendre les proportions visibles, la proportion d’eau est divisée par 100. Les symboles bleus représentent les transferts d’eau et les symboles verts le pompage du sel. Le débit total de fluide diminue au fur et à mesure qu’on avance dans la boucle, le débit d’eau « perdue » étant réabsorbé par l’interstice. I CC eau l’eau de mer, pour la débarrasser de ses impuretés, avant de la dessaler. Les impuretés dans l’eau de mer prendraient la place de l’urée dans le cas du rein. L’étape de nettoyage de l’eau de mer est très importante et représente environ un tiers de la consommation totale d’énergie du dessalement. Ensuite, on peut voir ce système de façon inverse  : il permet aussi de concentrer un produit qu’on veut séparer de l’eau pour l’utiliser. Dans le cas du rein on récupère l’urée pour la jeter, mais dans de nombreux autres cas on cherche à séparer des espèces de l’eau pour s’en servir ensuite. Le saviez-vous  : pourquoi la viande de requin a-t-elle un goût si fort ? Et dans tout ça, que deviennent les poissons ? Les poissons et autres créatures marines ont beaucoup moins besoin de concentrer l’urée, parce qu’ils peuvent s’approvisionner en eau tout le temps ! De façon générale, les poissons ont des écailles pour éviter que l’eau de leur corps ne se vide par osmose (eh oui, car ceux qui vivent dans l’eau de mer vivent dans un environnement beaucoup plus salé que leur organisme !). Les requins et les raies, eux, ont développé une autre stratégie  : ils se sont « habitués » à vivre avec beaucoup d’urée dans leur corps, autant qu’il y a de sel dans l’eau. C’est pour cela que leur chair a un goût si particulier (surtout pour les requins *) et qu’elle nécessite une préparation spéciale. * Nous rappelons que la pêche au requin est interdite. Reflets de la Physique n°58 23



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