Caractérisation macro-rhéologique du mucus gill raker chez la carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix

La carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix,est un filtreur planctonivore et une espèce envahissante qui s’est infiltrée dans plusieurs cours d’eau naturels aux États-Unis. Cette espèce a été initialement introduite dans le bassin supérieur du Mississippi pour contrôler les proliférations d’algues^1,2,3. La carpe argentée est un alimentateur extrêmement efficace. Typiquement, ses tailles de particules alimentaires consommables vont de 4 à 20 μm à un zooplancton plus grand qui est d’environ 80 μm^3,4,5. Cette espèce a surpassé les autres poissons indigènes et peut potentiellement causer d’énormes dommages aux cours d’eau indigènes en limitant les ressources disponibles^1,2,6. Ainsi, les poissons filtres tels que la carpe argentée et la carpe à grosse tête constituent une menace majeure pour les Grands Lacs^1,2,6,7,8.

Les poissons filtreurs possèdent des organes spéciaux appelés râteaux branchiaux (GR) avec une fine couche de mucus résidant à leur surface. Ces organes améliorent l’efficacité de la filtration et de l’agrégation des petites particules du fluide entrant. L’objectif du protocole présenté ici est de caractériser la propriété non newtonienne du matériau d’amincissement par cisaillement et la contrainte d’élasticité du mucus GR acquis à partir de la surface interne des râteaux branchiaux de la carpe argentée. La valeur de la limite d’élasticité du GLaire GR, déterminée à l’aide d’un rhéomètre rotatif, est intéressante dans cette étude. La limite d’élasticité mesurée, également appelée « contrainte d’élasticité apparente », dépend des méthodes d’essai telles que la vitesse de cisaillement constante ou la déformation oscillatoire dynamique de type^9,10. L’amincissement par cisaillement, « fluide de contrainte d’élasticité », subit une transition d’un comportement de type solide à un comportement de type liquide à une contrainte critique appliquée^9,11. La limite d’élasticité apparente est la contrainte de cisaillement minimale requise pour initier l’écoulement ou celle à laquelle une déformation irréversible du plastique est observée pour la première fois lorsque le mucus passe d’un matériau semblable à un gel à un matériau de type fluide. Ce comportement peut être observé dans les matériaux viscoélastiques structurés. La transition du mucus gélifiant à un comportement fluide implique deux fonctions, à voir un rôle adhésif pour recueillir les particules alimentaires et un rôle de véhicule de transport pour aider au processus de livraison et de filtration des particules. La fonction étendue du mucus comprend la création de barrières de diffusion dans la résistance aux maladies et la respiration, la libération contrôlée de facteurs nutritionnels, de composants toxiques et d’excrétion, la création de voies métaboliques pour l’alimentation et la nidification, l’aide à la protection des prédateurs et la production de modifications de la couche limite qui améliorent la locomotion et l’efficacité propulsive^12,13,14.

Contrairement aux fluides simples, les fluides complexes comme le mucus possèdent des propriétés qui varient en fonction des conditions d’écoulement et nécessitent des paramètres de mesure supplémentaires pour définir leur comportement physique à l’échelle de masse. Pour surveiller la viscosité et la limite d’élasticité du mucus GR, des mesures rhéologiques sont effectuées à l’aide d’un rhéomètre rotatif. Le rhéomètre rotatif applique une contrainte ou une déformation de cisaillement stable ou oscillatoire au moyen d’un disque rotatif en contact avec l’échantillon de fluide et mesure sa réponse. La raison d’être de l’utilisation de cet instrument et de cette technique est que le rhéomètre peut fournir un ensemble de mesures pour décrire les propriétés matérielles du mucus GR de la carpe argentée, qui ne peuvent pas être définies par la viscosité seule.

Le mucus est un matériau viscoélastique et sa réponse mécanique à une déformation imposée est comprise entre celle d’un solide pur (régi par la loi d’élasticité de Hooke) et celle d’un liquide pur (régi par la loi de viscosité de Newton)^15,16. Le réseau macromoléculaire complexe contenu dans le mucus peut s’étirer et se réorienter en réponse à des forces externes ou à une déformation. Un rhéomètre rotatif est composé d’une géométrie de cône et d’une plaque de Peltier comme illustré à la Figure 1 et à la Figure 2 (voir le tableau 1 pour les spécifications d’instrumentation). L’objectif de cette étude était de développer un protocole pour déterminer les propriétés rhéologiques du mucus GR. Un avantage du rhéomètre rotatif par rapport à un viscosimètre est sa capacité à effectuer des mesures dynamiques en utilisant de petits volumes d’échantillons. Le volume d’échantillon de mucus GR dans cette étude était d’environ 1,4 mL. Le viscosimètre, en revanche, est limité à des taux de cisaillement constants et nécessite de grands volumes d’échantillons.

Les propriétés rhéologiques du mucus devraient varier considérablement au sein de l’anatomie de la carpe argentée. Par exemple, les propriétés du mucus résidant sur les surfaces GR peuvent être différentes de celles de l’organe épibranchial. Pour tenir compte de la variabilité potentielle des propriétés du mucus dans différentes régions du poisson, l’échantillon de mucus GR acquis a été dilué et des solutions de trois concentrations ont été créées et testées à l’aide du rhéomètre rotatif. Les données et les résultats concernant la rhéologie du mucus rapportés après l’exécution du protocole ont démontré l’efficacité de la technique de mesure. Les données illustratives présentées dans le présent document ne sont pas destinées à être généralisées à l’ensemble de la population de carpes argentées. Le protocole présenté ici peut être étendu pour étudier la rhéologie du mucus sur des ensembles d’échantillons plus grands afin de tester d’autres hypothèses.

Le but de cette étude est de démontrer la variation des propriétés rhéologiques de la rhéologie du mucus GR avec trois concentrations de mucus différentes (400 mg/mL, 200 mg/mL et 100 mg/mL). La concentration de 400 mg/mL représente l’échantillon de mucus brut prélevé dans les GR de poisson. De l’eau désionisée (ID) a été utilisée pour diluer l’échantillon de mucus brut en concentrations de 200 mg/mL et 100 mg/mL. La dilution des échantillons de mucus a permis d’évaluer le degré d’amincissement par cisaillement et la limite d’élasticité apparente en fonction de la concentration et de déterminer la concentration à laquelle le mucus GR passe à un comportement non newtonien. Un agitateur a été utilisé pour décomposer les gros amas de mucus dans les échantillons afin d’atténuer les erreurs dans les données rhéologiques dues à l’inhomogénéité.

Chez la plupart des vertébrés, y compris les poissons, les macromolécules formant du mucus prédominants sont des glycoprotéines (mucines) qui ont tendance à gonfler dans l’eau par enchevêtrements ou réticulation chimique et à créer un matériau semblable à un gel^{12,13,17,18,19,20}. Les macromolécules de haut poids moléculaire, formant des gels et la teneur élevée en eau reflètent la gélinance du mucus¹³. Un degré élevé d’interactions inter-macromoléculaires conduit à la formation de gel alors que des niveaux plus faibles d’interactions inter-macromoléculaires ou de liaisons rompues entraînent des fluides à haute viscosité²¹.

Les processus de filtration des particules alimentaires dans les poissons filtreurs sont aidés par des propriétés liées au mucus GR telles que la cohésion et la viscosité qui déterminent son potentiel d’adhérence et d’adhérence²². La force de l’adhérence à base de mucus dépend d’interactions intermoléculaires, électrostatiques ou hydrophobes spécifiques²³. Sanderson et al.²⁴ ont mené une étude d’alimentation en suspension chez le poisson noir dans laquelle ils ont trouvé des preuves d’une adhésion à base de mucus. Ils ont déclaré que l’adhésion des particules alimentaires en suspension avec une surface muqueuse est suivie du transport d’amas agrégés de particules liées ensemble au mucus par un écoulement d’eau dirigé agissant sur celui-ci²⁴. Le mucus exposé aux taux de déformation de cisaillement générés par l’écoulement de l’eau facilite l’administration de particules alimentaires aux organes digestifs. Des techniques endoscopiques ont été utilisées pour observer les particules filtrées²⁴.

La littérature sur la gamme des taux de cisaillement et les limites pratiques dans les tests rhéologiques du mucus GR est rare. Par conséquent, des conseils ont été recherchés à partir d’études rhéologiques sur la glaire gastrique, nasale, cervicale et pulmonaire, le mucus de la peau de saumon, la boue de poisson et le lubrifiant de surface des articulations osseuses dans lesquelles la caractérisation rhéologique et les attributs non newtoniens ont été étudiés^11,12,^25,26,27, 28^,29,30,31. Plus récemment, l’effet du mucus de la peau de poisson sur la locomotion et l’efficacité propulsive a été étudié en utilisant la viscométrie à taux de cisaillement constant. Les études de rhéologie du mucus cutané (sans aucune dilution ni homogénéisation) concernant la daurade, le bar et le maigre comportement non newtonien ont démontré un comportement non newtonien à des taux de cisaillement généralement faibles¹⁴.  Dans une autre étude connexe, les échantillons de mucus cutané brut des côtés dorsal et ventral de la sole sénégalaise se sont avérés présenter un comportement non newtonien, indiquant une viscosité plus élevée du mucus ventral à tous les taux de cisaillement considérés^32. D’autres protocoles rhéologiques relatifs au développement de l’échafaudage d’hydrogel et pour les suspensions hautement concentrées utilisant un viscosimètre à vitesse de cisaillement constante ont également été rapportés dans la littérature^33,34.

Dans cette étude, les propriétés du mucus GR ont été étudiées à l’aide d’un rhéomètre rotatif contrôlé par taux de déformation qui a été largement utilisé dans des expériences de rhéologie sur des fluides biologiques complexes²⁵. Pour les fluides newtoniens, la viscosité apparente reste constante, est indépendante de la vitesse de cisaillement et les contraintes de cisaillement varient linéairement avec les taux de déformation de cisaillement (Figure 3A, B). Pour les fluides non newtoniens (tels que les fluides d’amincissement par cisaillement), la viscosité dépend du taux de cisaillement ou de l’historique de déformation (Figure 3A, B). Le module de perte (G ») représente la mesure dans laquelle le matériau résiste à la tendance à l’écoulement et est représentatif de la viscosité du fluide(Figure 4). Le module de stockage (G’) représente la tendance du matériau à retrouver sa forme d’origine après une déformation induite par les contraintes et est équivalent à l’élasticité (Figure 4). L’angle de phase (δ) ou la valeur de la tangente de perte, est calculé à partir de la tangente inverse de G”/G’. Il représente l’équilibre entre perte d’énergie et stockage et est également un paramètre commun pour caractériser les matériaux viscoélastiques (δ = 0° pour un solide hookéen; δ = 90° pour un liquide visqueux; δ 45° pour un liquide viscoélastique)(Figure 4)²⁵. La limite d’élasticité apparente (σ_y)dans les fluides structurés représente un changement d’état qui peut être observé dans les données rhéologiques à partir du balayage à l’état d’équilibre et des balayages dynamiques contrainte-déformation¹⁰. Si la contrainte externe appliquée est inférieure à la limite d’élasticité apparente, le matériau se déformera élastiquement. Lorsque la contrainte dépasse la limite d’élasticité apparente (marquée comme « contrainte moyenne » à la figure 3B), le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique et commence à s’écouler à l’état liquide³⁵. La mesure du module de stockage (G’) et du module de perte (G ») dans l’échantillon de mucus dans des conditions de contrainte oscillatoire (ou de déformation) quantifie le changement de l’état du matériau d’un comportement semblable à un gel à un comportement viscoélastique de type liquide.

Les types d’essais de rhéomètre effectués pour surveiller les données relatives au module de stockage (G’), au module de perte (G ») et à la viscosité apparente (η) sont décrits ici. Les essais d’oscillation dynamique (balayages de déformation et balayages de fréquence) ont surveillé G’ et G » sous oscillation contrôlée de la géométrie du cône. Les essais de balayage de déformation dynamique ont déterminé la région viscoélastique linéaire (LVR) du mucus en surveillant la réponse intrinsèque du matériau(Figure 4). Des balayages de déformation ont été utilisés pour déterminer le comportement de rendement à une fréquence d’oscillation et une température constantes. Les essais de balayage dynamique de fréquence ont surveillé la réponse du matériau à l’augmentation de la fréquence (taux de déformation) à une amplitude (déformation ou contrainte) et à une température constantes. La déformation a été maintenue dans la région viscoélastique linéaire (LVR) pour les essais de balayage dynamique de fréquence. Les essais de vitesse de cisaillement à l’état d’équilibre ont surveillé la viscosité apparente (η) sous rotation constante de la géométrie du cône. Le mucus GR a été soumis à des étapes de contrainte incrémentielles et la viscosité apparente (η, Pa.s) a été surveillée pour une vitesse de cisaillement variable (ý, 1/s).

Le protocole présenté dans cet article traite le mucus GR comme un matériau structuré complexe de viscoélasticité inconnue avec une certaine gamme de réponse viscoélastique linéaire. Le mucus de poisson a été extrait des RON de la carpe argentée lors d’une expédition de pêche à l’emplacement du ruisseau Hart dans la rivière Missouri par le professeur L. Patricia Hernandez (Département des sciences biologiques, Université George Washington) ^1,2,36.  Un tableau de GO à l’intérieur de l’embouchure d’une carpe argentée est représenté à la figure 5A et un dessin schématique est présenté à la figure 5B. Un GR excisé est représenté à la figure 5C.  L’extraction du mucus des GN de la carpe argentée est présentée à titre d’exemple dans les dessins schématiques, Figure 5D, E. Tous les essais rhéométriques ont été effectués sous une température constante et contrôlée de 22 ± 0,002 °C, la température enregistrée sur le site de pêche^1,2,36.  Chaque échantillon de mucus a été testé trois fois avec le rhéomètre, et les résultats moyens sont présentés avec les barres d’erreur statistiques.