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Ärzte Zeitung online, 31.03.2009

Reißverschlussverfahren in den Adern

JÜLICH (eb). Der Hämatokrit beeinflusst die Form und Anordnung der roten Blutkörperchen in Kapillargefäßen. Wenn es eng wird, bewegen sich die Erythrozyten im Reißverschlussverfahren vorwärts.

Für das Strömungsverhalten des Blutes spielt der Gehalt an Blutkörperchen (Hämatokrit) eine entscheidende Rolle. Die Höhe des Hämatokrits bestimmt dabei, wie sich die roten Blutkörperchen in den Kapillargefäßen anordnen. Das haben Physiker des Forschungszentrums Jülich und der Universität Tokio mit Computersimulationen herausgefunden (PNAS Early Edition, März 2009).

"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 Professor 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 geschobene Reihen pantoffelförmiger Zellen. Diese Anordnung roter Blutkörperchen wurde in menschlichen Blutgefäßen bereits 1969 erstmals beobachtet.

Erstaunt hat die Forscher, dass der Strömungswiderstand bei diesem Übergang sprunghaft 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.

Die Originalveröffentlichung: "Flow-induced Clustering and Alignment of Vesicles and Red Blood Cells in Microcapillaries" soll unter der Rubrik "Early Editions" auf www.pnas.org/ laufen

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