Le sang est une matière remarquable : il doit rester fluide à l’intérieur des vaisseaux sanguins, mais coaguler le plus rapidement possible à l’extérieur de ceux-ci pour arrêter le saignement. La cascade chimique qui rend cela possible est bien comprise pour le sang des vertébrés. Mais l’hémolymphe, l’équivalent du sang chez les insectes, a une composition très différente, étant notamment dépourvue de globules rouges, d’hémoglobine et de plaquettes, et contenant des cellules de type amibe appelées hémocytes au lieu de globules blancs pour la défense immunitaire.
Tout comme le sang, l’hémolymphe coagule rapidement à l’extérieur du corps. La manière dont cela se produit est longtemps restée une énigme. Aujourd'hui, les scientifiques des matériaux ont montré dans Frontières de la matière molle comment cet exploit est réussi par les chenilles du sphinx de Caroline. Cette découverte a des applications potentielles pour la médecine humaine, affirment les auteurs.
« Nous montrons ici que ces chenilles, appelées vers des cornes du tabac, peuvent sceller les blessures en une minute. Ils le font en deux étapes : premièrement, en quelques secondes, leur hémolymphe fine et aqueuse devient « viscoélastique » ou visqueuse, et l'hémolymphe dégoulinante se rétracte vers la plaie », a déclaré l'auteur principal, le Dr Konstantin Kornev, professeur à l'Institut. Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Clemson.
« Ensuite, les hémocytes s'agrègent, en partant de la surface de la plaie et en remontant pour embrasser le film hémolymphique qui finit par devenir une croûte scellant la plaie. »
Difficile d'étudier
Les vers du tabac à maturité, prêts à se nymphoser, mesurent entre 7,5 cm et 10 cm de long. Ils ne contiennent qu’une infime quantité d’hémolymphe, qui coagule généralement en quelques secondes, ce qui rend difficile l’étude avec les méthodes conventionnelles.
Pour ces raisons, Kornev et ses collègues ont dû développer de nouvelles techniques pour la présente étude et travailler rapidement. Pour autant, le taux d’échec des manipulations les plus délicates était énorme (jusqu’à 95 %), nécessitant de nombreuses tentatives.
Ils ont retenu des vers à cornes individuels dans un manchon en plastique et ont fait une légère blessure dans l'une des pseudo-pattes de chaque chenille à travers une fenêtre dans le manchon. Ils ont ensuite touché l'hémolymphe dégoulinante avec une boule de métal, qui a été retirée, créant un « pont » d'hémolymphe (environ deux millimètres de long et des centaines de micromètres de large) qui s'est ensuite rétréci et s'est brisé, produisant des gouttelettes satellites. Kornev et coll. a filmé ces événements avec une caméra à haute fréquence d'images et un objectif macro, pour les étudier en détail.
Changement instantané des propriétés
Ces observations suggèrent que pendant les cinq premières secondes environ après le début de l'écoulement, l'hémolymphe se comporte de manière similaire à l'eau : en termes techniques, comme un liquide newtonien à faible viscosité. Mais dans les 10 secondes suivantes, l'hémolymphe a subi un changement marqué : elle ne s'est plus brisée instantanément mais a formé un long pont derrière la goutte qui tombait. En règle générale, le saignement s’arrête complètement après 60 à 90 secondes, après la formation d’une croûte sur la plaie.
Kornev et coll. ont étudié plus en détail les propriétés d'écoulement de l'hémolymphe en plaçant une nanotige de nickel de 10 micromètres de long dans une gouttelette d'hémolymphe fraîche. Lorsqu'un champ magnétique rotatif faisait tourner la nanotige, son décalage par rapport au magnétisme donnait une estimation de la capacité de l'hémolymphe à retenir la nanotige grâce à la viscosité.
Ils ont conclu que quelques secondes après avoir quitté le corps, l’hémolymphe de la chenille passe d’un fluide peu visqueux à un fluide viscoélastique.
Un bon exemple de fluide viscoélastique est la salive. Lorsque vous étalez une goutte entre vos doigts, elle se comporte comme de l’eau : les scientifiques en matériaux diront qu’elle est purement visqueuse. Mais grâce aux très grosses molécules appelées mucines, la salive forme un pont lorsque vous écartez les doigts. C'est pourquoi on l'appelle à juste titre viscoélastique : visqueux lorsqu'on le cisaille et élastique lorsqu'on l'étire.
Dr Konstantin Kornev, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux, Université de Clemson
Les scientifiques ont également utilisé la microscopie optique à contraste de phase et polarisée, l'imagerie par rayons X et la modélisation scientifique des matériaux pour étudier les processus cellulaires par lesquels les hémocytes s'agrègent pour former une croûte sur une plaie. Ils l’ont fait non seulement chez les sphinx de Caroline et leurs chenilles, mais également chez 18 autres espèces d’insectes.
Les hémocytes sont la clé
Les résultats ont montré que l’hémolymphe de toutes les espèces étudiées réagissait de la même manière au cisaillement. Mais sa réaction à l'étirement différait considérablement entre l'hémolymphe riche en hémocytes des chenilles et des blattes d'une part, et l'hémolymphe pauvre en hémocytes des papillons et des papillons adultes de l'autre : des gouttelettes s'étiraient pour former des ponts pour les deux premiers, mais immédiatement cassé pour ce dernier.
« La transformation de l'hémolymphe en un fluide viscoélastique semble aider les chenilles et les blattes à arrêter tout saignement, en rétractant les gouttelettes dégoulinantes vers la plaie en quelques secondes », a déclaré Kornev. « Nous concluons que leur hémolymphe a une capacité extraordinaire à modifier instantanément ses propriétés matérielles. Contrairement aux insectes producteurs de soie et aux araignées, qui possèdent un organe spécial pour fabriquer des fibres, ces insectes peuvent produire des filaments d’hémolymphe à n’importe quel endroit lorsqu’ils sont blessés.
Les scientifiques ont conclu que les hémocytes jouent un rôle clé dans tous ces processus. Mais on ne sait toujours pas pourquoi les chenilles et les blattes ont besoin de plus d’hémocytes que les papillons et les mites adultes.
« Nos découvertes ouvrent la porte à la conception d’épaississants rapides du sang humain. Nous n'avons pas nécessairement besoin de copier la biochimie exacte, mais nous devrions nous concentrer sur la conception de médicaments capables de transformer le sang en un matériau viscoélastique qui arrête le saignement. Nous espérons que nos résultats aideront à accomplir cette tâche dans un avenir proche », a déclaré Kornev.
