Fallschirme in der Blutbahn

Jülicher Forscher klären die Form der roten Blutkörperchen bei Strömung

(PresseBox) (Jülich, ) Hämoglobin in den Blutkörperchen färbt das Blut rot - das ist schon lange Allgemeinwissen. Aber auch auf die Fließeigenschaften des Blutes haben die roten Blutkörperchen entscheidenden Einfluss. In Strömungen verändern sie ihre normale, diskusartige Form, und das Blut fließt schneller durch die Adern. Dabei spielt die Elastizität der Zelloberfläche eine wichtige Rolle, wie Hiroshi Noguchi und Gerhard Gompper vom Forschungszentrum Jülich herausfanden. Die Ergebnisse wurden jetzt von der von der renommierten Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS) veröffentlicht ( www.pnas.org/papbyrecent.shtml).

Die roten Blutkörperchen sind nicht starr. Ihre Oberfläche besteht aus einer Lipid-Membran mit ähnlichen Eigenschaften wie eine Seifenhaut. "Aber darunter liegt ein Gerüst aus steifen Fasern, dem Spektrin", erklärt Prof. Gerhard Gompper den Aufbau der Blutzelle. "Beide zusammen bestimmen die Biege- und Schersteifigkeit der Zelle."

In einer detaillierten Computersimulation haben Noguchi und Gompper beide Komponenten der "Haut" mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften simuliert. Das Ergebnis: Erst die Steifigkeit des Spektrin-Netzes ermöglicht die Formen, die das rote Blutkörperchen in Fließexperimenten annimmt. Nur im Stillstand zeigt es nämlich seine charakteristische Gestalt, den Diskus mit den Vertiefungen auf beiden Seiten. "Ab einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit ändert sich das aber drastisch", erklärt Gompper. Die Zelle biegt sich so weit durch, dass sie einem Fallschirm ähnelt. Allerdings ist sie nicht in, sondern gegen die Bewegungsrichtung offen. Im Gegensatz dazu nehmen Tröpfchen, die nur eine Lipid-Schicht besitzen, eher die längliche Form eines Rugby-Balls an. Und es kommt zu einer weiteren Zellform. "Im Übergang bildet sich ein stabiles, aber unsymmetrisches Gebilde", sagt Gompper, "es ähnelt einer Pantine oder einem Pantoffel."

Besonders interessant für Noguchi und Gompper war die Strömungsgeschwindigkeit, bei welcher der Übergang zwischen Diskus und Fallschirm auftritt. Je steifer die Zelle, desto schnellere Strömungen sind nötig. "Manche Stoffwechselkrankheiten verändern die Materialeigenschaften der Zellmembran und könnten über diesen Mechanismus Einfluss auf die Blutzirkulation nehmen", erläutert Gompper den Hintergrund seiner Forschung. Aber nur die passende Formen des roten Blutkörperchens gewährleistet, dass das Blut mit relativ geringem Widerstand fließt und das Herz mit geringen Pumpdrücken arbeiten kann, vermuten die Forscher.

In Zukunft sollen die Simulationen von einzelnen auf ganze Gruppen von Blutkörperchen ausdehnt werden. Im Fokus steht die Verbindung zwischen den Materialeigenschaften der Zellen und den Eigenschaften des Blutes als Ganzes.

Forschungszentrum Jülich GmbH

Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologien.
Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jülich sowohl langfristige, grundlagenorientierte und fächerübergreifende Beiträge zu Naturwissenschaften und Technik erarbeitet als auch konkrete technologische Anwendungen. Mit rund 4 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, zu den größten Forschungszentren Europas.

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