S’inspirer du rein pour filtrer l’eau

Fournir de l’eau potable à tous et à moindre prix est un défi auquel fait face l’humanité. Depuis une dizaine d’années, la désalinisation et le recyclage de l’eau ont connu de fortes avancées technologiques, notamment grâce aux progrès des scientifiques dans les domaines des membranes avec de très petits trous. Ces trous sont à peine plus gros que quelques petites molécules, ils font à peine un milliardième de mètre ! Ces membranes « High-Tech » permettent de séparer les déchets de l’eau pure de façon plus efficace – on appelle cela les nanomatériaux. Toutes ces approches s’appuient sur un principe simple : on cherche à trouver la meilleure « passoire » pour séparer le sel et les déchets de l’eau.

Pour trier l’eau de l’urée, le rein humain utilise un principe de fonctionnement complètement différent. Il s’appuie notamment sur des millions de sous-structures en parallèle, des tubes qui sont plus fins qu’un centième de millimètre, en forme de U, et qui s’appellent boucles de Henle (voir la Figure 1-c). Cette forme est surprenante notamment parce qu’elle est présente chez tous les mammifères, mais pas chez tous les vertébrés. D’autre part, le rein est capable de filtrer à très basse pression, typiquement 40 fois plus faible que les pressions qu’on utilise pour dessaler l’eau de mer. Enfin, le rein consomme en moyenne 100 fois moins d’énergie que les appareils de dialyse, qui sont les appareils qui servent à nettoyer le sang des patients qui souffrent d’insuffisance rénale. Et chaque jour, 200L d’eau passent dans ces tous petits canaux et seuls 2L en moyenne sont éliminés. (Eh oui ! d’où les « pour rester en bonne santé, buvez 2L d’eau par jour »).

Comment le rein fonctionne ? Lorsque nous mangeons, nous assimilons entre autres des protéines, des acides aminés, du sel, de l’eau. Nous cassons les grosses molécules telles que les acides aminés (contenus dans les protéines) pour faire des sucres, que nous utilisons comme source d’énergie pour vivre. Cette « digestion » est accompagnée de la production d’urée, une substance nocive, qui contient des atomes d’azote. L’urée est éliminée par les reins (voir la Figure 1-a et b). Mais dans tout ça, le sel et l’eau doivent être majoritairement recyclés. Le rein accomplit ce défi de concentrer l’urée très fortement et de recycler le sel et l’eau.

Plus précisément, du sang arrive au rein, portant avec lui l’eau, le sel, et l’urée. Regardons ensemble la Figure 2 – a. En arrivant au Glomérule (G), le mélange est trié : seuls l’eau, le sel et l’urée peuvent entrer dans le grand tube représenté en couleur claire, qui s’appelle le néphron. La première partie du néphron c’est cette boucle en forme de U, la boucle de Henle. Celle-ci est immergée dans un tissu très vascularisé (c’est à dire où circulent de très nombreux vaisseaux sanguins) qu’on appelle l’interstice (I). Dans la branche qui descend, (D), le long de la paroi, il y a des trous extrêmement petits, appelés « aquaporines ». Ces trous, en forme de tunnel très étriqué, ne laissent passer que l’eau. Mais l’eau peut passer dans les deux sens de façon indifférenciée. Dans la branche ascendante (A), le long de la paroi, il y a des pompes à sel. Ces pompes transfèrent le sel de la boucle de Henle dans l’interstice. Pour ce faire, elles utilisent l’énergie de dissociation de l’ATP (Adenosine Tri-Phosphate), qui est la molécule qui transporte l’énergie dans notre corps. Une grande quantité de sel arrive ainsi dans l’interstice. Il se produit alors un phénomène appelé osmose où l’eau va passer du milieu le moins concentré en sel (l’interstice, I) vers le milieu le plus concentré (la branche descendante, D). Ainsi, beaucoup d’eau est extraite du mélange, le sel aussi, et il ne reste plus que l’urée très concentrée, qui est éliminée. Le sel et l’eau sont réintégrés par l’organisme grâce aux vaisseaux sanguins qui parcourent l’interstice.

Pour décrire tout ça de façon plus quantitative, nous avons dû écrire des équations pour savoir comment la proportion d’eau, de sel et d’urée évolue le long de chaque branche et dans l’interstice. C’est un peu fastidieux, car on doit écrire et résoudre 15 équations aux dérivées partielles. Mais heureusement il n’y a vraiment que 2 équations capitales : celle qui décrit le pompage du sel, et celle qui décrit la réabsorption de l’eau. Au lieu de passer du temps sur ces équations, on va plutôt s’intéresser aux résultats ¹ – mais vous souhaitez comprendre les équations, rendez-vous en annexe^a. Pour ça on va surtout regarder une simulation (c’est à dire la résolution de ces équations par un ordinateur) de ces équations. Pour plus d’animation, vous pouvez aussi consulter la vidéo.

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, on voit bien que la proportion d’eau diminue en descendant, correspondant à la réabsorption par osmose. 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. Ce qui voudrait dire qu’on perdrait 20L 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 qu’il manque !

Dans le néphron (retour à la figure 2), après la boucle de Henle, il y a un canal collecteur (CC) auquel se raccrochent plusieurs boucles de Henle. Le long de la paroi du canal collecteur, il y a également des aquaporines qui permettent à l’eau de traverser 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. 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 suivie du canal collecteur sont capables de recycler 99% de l’eau entrante. Ainsi, on perdrait 2L par jour dans nos urines, et en fait c’est exactement ce qu’on perd ! Le modèle n’est pas si mauvais !

Dans un contexte actuel de développement durable, on est intéressés par la consommation énergétique du système. En écrivant quelques équations supplémentaires, on constate que le système de la boucle de Henle consomme juste un peu plus que les systèmes de passoires traditionnels. En revanche, le système de la boucle de Henle + canal collecteur consomme bien moins que les systèmes traditionnels, et d’ailleurs, plus on veut filtrer de façon précise, plus le gain énergétique de cette solution est important !

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 : on creuse de tous petits canaux dans du plastique mou, ensuite on insère des membranes très fines qui servent à mimer les aquaporines et les pompes (parce que tout ça, on ne sait pas encore les reproduire !). La production avance et après avoir testé notre système de pompe à sel d’un côté et notre système 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 !

Dans un futur pas si lointain, on peut imaginer que ce système puisse être utilisé pour pré-traiter l’eau de mer, pour la débarrasser de ses impuretés, avant qu’elle soit dessalée. Enfin, on peut voir aussi ce système de façon inverse : il permet aussi de concentrer un produit qu’on veut séparer de l’eau pour l’utiliser. Finalement, on espère que ces développements pourront, dans un futur plus lointain, être utiles pour réfléchir à de nouveaux appareils de dialyse, plus efficaces que les systèmes contemporains.

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Et dans tout ça, que deviennent les poissons ? Les poissons et autre 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 (et oui, car ceux qui vivent dans l’eau de mer vivent dans un environnement beaucoup plus salé qu’eux !). 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. Ainsi l’eau de mer et l’eau de leur corps contiennent autant de molécules et l’animal ne se noie pas. C’est pour ça que leur chair est si spéciale (surtout pour les requins) et qu’elle nécessite une préparation spéciale.

• Nous rappelons que la pêche aux requins est interdite.

  1.

  Marbach S, Bocquet L. Active Osmotic Exchanger for Efficient Nanofiltration Inspired by the Kidney. Phys Rev X. 2016;6(3). doi:10.1103/physrevx.6.031008

a.

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