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Reißverschlussverfahren in den Adern

Jülicher Forscher erklären Verhalten roter Blutkörperchen in Strömung / Computersimulation: "Blut in Bewegung"

[30. März 2009]

Jülich, 30. März 2009 - Für das Strömungsverhalten des Blutes spielt der Gehalt an Blutkörper­chen, auch Hämatokrit genannt, eine entscheidende Rolle. Wie Physiker des Forschungszentrums Jülich und der Universität Tokio mit Computersimulationen herausfanden, beeinflusst der Hämatokrit außerdem die Form und Anordnung der roten Blut­körperchen in Kapillargefäßen. Ihre Ergebnisse veröffentlicht die renommierte Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" in der Woche vom 30. März 2009 in ihrer Online-Ausgabe (PNAS Early Edition).

Mit ihrer Arbeit zeigen die Forscher beispielhaft, wie nützlich physikalisches Know-How auch für die Lebenswissenschaften ist. Rote Blutkörperchen sind die häufigsten Zellen im Blut von Wirbel­tieren; jeder gesunde Erwachsene besitzt etwa 25 Billionen von ihnen. Sie transportieren den Sauerstoff auf ihrem Weg durch das Gefäßsystem und geben dem Blut seine rote Farbe. Unter dem Mikroskop in Ruhe betrachtet haben sie eine diskusähnliche Form. Wenn sie sich aber bewegen und durch unsere Adern und Äderchen oder auch durch künstliche Kapillaren in Laboren strömen, können sie auch andere Formen einnehmen. Physiker aus Jülich und Tokio haben untersucht, wie sich das Strömungsverhalten von Gruppen roter Blutkörperchen und in engen Kapillaren – nur wenig breiter als der Durchmesser der Zelle – in Abhängigkeit von ihrer Dichte ver­ändert. Dies ist etwa für medizinischeUntersuchungsmethoden von Interesse, bei denen Blutproben maschinell sortiert, gezählt und untersucht werden.

"Wir simulierten im Computer die Biege- und Schersteifigkeit der einzelnen Zelle, indem wir ein detailliertes physikalisches Modell für die Zellhaut und das darunter liegende Proteingerüst entwickelten", erläutert Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Jülicher Institut für Festkörperforschung. "Außerdem variierten wir Hämatokrit und Strömungsgeschwindigkeit. So konnten wir verschiedene Bedin­gungen miteinander vergleichen und sogar Zustände simulieren, die real gar nicht vorkommen. Das ist ein einzigartiger Vorteil von Simulationen."

Und das passiert in den Blutgefäßen: Bei niedrigem Gehalt an Blut­körperchen biegen sich diese ab einer bestimmten Geschwindigkeit fallschirmförmig durch und ordnen sich hintereinander in der Mitte der Kapillare an, um den Strömungswiderstand zu minimieren. Bei höherer Dichte werden die durch Strömung vermittelten Kräfte wichtig. Diese bewegen einzelne Zellen leicht aus ihrer mittigen Position. Je mehr eine Zelle sich aber der Kapillarwand nähert, umso stärker wird sie abgebremst; die im kurzen Abstand nachfolgende Zelle rutscht seitlich daneben. Die Form der Blutkörperchen ver­ändert sich dabei: Das Ergebnis sind zwei reißverschlussartig ineinander geschobenen Reihen pantoffelförmiger Zellen. Diese Anordnung roter Blutkörperchen wurde in menschlichen Blutgefäßen bereits 1969 erstmals beobachtet. Erstaunt hat die Forscher, dass der Strömungswiderstand bei diesem Übergangsprunghaft ansteigt – und damit auch die Pumpleistung, die das Herz aufbringen muss, um die gleiche Blutmenge durch die Kapillargefäße zu pressen. Die lineare Anordnung hätte bei gleichem Hämatokrit einen geringeren Strömungswiderstand, gleichwohl lässt sie sich nur künstlich im Computer erzeugen.

"Es hat 40 Jahre gedauert, bis Membranmodelle, Methoden zur Simulation von Strömungen und die notwendigen Rechenleistungen so weit entwickelt waren, dass solche Fragen im Computer ("in silico") untersucht werden können. Mit unserer Simulation konnten wir nun erstmals nachvollziehen, wie die Reißverschlussanordnung entsteht", berichtet Gompper. Die Physiker wollen in Zukunft eine Vielzahl an Fragen untersuchen, etwa wie die Form der Kapillare oder krankheitsbedingte Veränderungen der Verformbarkeit der Blutkörperchen das Strömungsverhalten beeinflussen.

Originalveröffentlichung:

Flow-induced Clustering and Alignment of Vesicles and Red Blood Cells in Microcapillaries
J. L. Mc Whirter, H. Noguchi, G. Gompper
PNAS Early Edition (EE), 14. Kalenderwoche, Manuskriptnummer 2008-11484R


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Physiker des Forschungszentrums Jülich und der Universität Tokio fanden mit aufwendigen Computersimulationen heraus, dass sich rote Blutkörperchen in engen Kapillaren im Blutstrom fallschirmförmig in einer Reihe ausrichten, wenn die Konzentration an Blutkörperchen niedrig ist (oberes Bild). Bei hoher Konzentration bilden sich zwei ineinander geschobene Reihen pantoffelförmiger Zellen aus (unteres Bild). In der Computeranimation lässt sich der Übergang beobachten. Beim Übergang von der oberen zur unteren Konfiguration nimmt der Strömungswiderstand sprunghaft zu.


Animation (MPG-Datei)

Abbildungen/Animation: Forschungszentrum Jülich, mit freundlicher Genehmigung der National Academy of Sciences, PNAS


Weitere Informationen:


Pressekontakt

Angela Wenzik
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Institut für Festkörperforschung
52425 Jülich
Tel. 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de


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