Eric Fanchon, Vitaly Volpert, Mark J. Koury, Alexandre Rocca, Jean-Marc Moulis, Anass Bouchnita, Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Université Mohammed V de Rabat [Agdal] (UM5), Biologie Computationnelle et Mathématique (TIMC-IMAG-BCM), Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble - UMR 5525 (TIMC-IMAG), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Vanderbilt University [Nashville], Laboratory of Fundamental and Applied Bioenergetics = Laboratoire de bioénergétique fondamentale et appliquée (LBFA), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Multi-scale modelling of cell dynamics : application to hematopoiesis (DRACULA), Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Camille Jordan (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation mathématique, calcul scientifique (MMCS), Institut Camille Jordan (ICJ), Université Mohammed V de Rabat [Agdal], Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (CGPhiMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
The paper is devoted to multi-scale modelling of erythropoiesis and hemoglobin production. Red blood cells, which carry oxygen from the lungs to the other body tissues, are produced in the bone marrow of adult humans in cell units called erythroblastic islands. Erythroblastic islands are composed by a central macrophage surrounded by erythroid cells in different stages of maturation. Immature cells, the colony-forming units-erythroid, make a choice between self-renewal, differentiation and apoptosis determined by the intracellular proteins and extracellular substances. Moreover, this choice is regulated by erythropoietin and other hormones. Erythropoietin is produced in the kidney in response to hypoxia from decreased numbers of red blood cells, and it is delivered in the plasma to the bone marrow. Erythropoietin stimulates differentiation of erythroid cells and increases their proliferation by downregulating apoptosis. The rate of erythropoietin production depends on the level of hemoglobin in blood which is function of the number of circulating red blood cells. Hemoglobin is produced in the erythroid cells within the bone marrow in the process of their terminal differentiation. Thus, there is a feedback between production of red blood cells by the bone marrow, the level of hemoglobin contained in these cells and the level of erythropoietin. The multi-scale model developed in this work includes erythroid cells in the bone marrow, their intracellular and extracellular regulations, hemoglobin production, and the feedback by erythropoietin. This model describes normal functioning of erythropoiesis and its response to anemia resulting from the loss of red blood cells.