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Dienstag, 26.07.2016
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Blut: Mini-Kräfte bestimmen Strömungswiderstand

Physiker berechnen erstmals Einfluss der Anziehungskraft zwischen roten Blutkörperchen auf das Fließverhalten von Blut

Rote Blutkörperchen ziehen einander an. Aber die Kräfte, die dabei wirken, sind zehn Millionen Mal kleiner als die, die durch das Gewicht einer sitzenden Stechmücke verursacht werden. Dennoch bestimmen diese Kräfte den Strömungswiderstand von Blut, wie ein deutsch-amerikanisches Physikerteam jetzt in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) erstmals zeigen konnte.
Rote Blutkörperchen

Rote Blutkörperchen

Kaum vorstellbar klein ist die die Anziehungskraft, die rote Blutkörperchen aufeinander ausüben: Einen Wert von gerade einmal drei bis sieben Pico-Newton - Billionstel Newton - errechnete ein Team um den Physiker Professor Gerhard Gompper vom Institute of Complex Systems am Forschungszentrum Jülich.

Virtuelle Experimente


„Bisher gibt es keine Möglichkeiten, diese Anziehungskräfte experimentell zu messen“, erläutert der Experte für theoretische Physik und Simulation. „Deshalb haben wir die Eigenschaften von Blut im Computer nachgebaut. So konnten wir virtuelle Experimente durchführen, die in der Praxis gar nicht möglich wären. Das hilft, die physikalischen Zusammenhänge in Blut besser zu verstehen.“ Computersimulationen könnten damit etwa zu einem besseren Verständnis der Symptome von Krankheiten beitragen oder bei der Entwicklung von Mikrofluidik-Systemen, etwa für diagnostische Zwecke.

Mit Hilfe ihrer Simulationen konnten die Forscher die Zusammenhänge zwischen der mikroskopischen Anordnung der roten Blutkörperchen und den Eigenschaften von Blut, wie dem Strömungswiderstand, - der Viskosität -, untersuchen. „Insbesondere führen Anziehungskräfte dazu, dass immer wieder zwei oder mehrere Blutkörperchen vorübergehend aneinander kleben bleiben, anstatt aneinander vorbei zu gleiten - was gleichbedeutend mit einem erhöhten Strömungswiderstand ist“, erläutert Gompper.


Forscher nutzen Molekulardynamik


Die Forscher nutzen die so genannte Molekulardynamik, eine anerkannte Methode der theoretischen Physik, bei der Wechselwirkungen zwischen Molekülen über einen zeitlichen Verlauf simuliert werden. Da die dafür notwendige Rechenleistung enorm ist und an einem durchschnittlichen PC viele Monate gedauert hätte, rechneten die Forscher an Hochleistungscomputern, etwa dem Jülicher Supercomputer JUROPA.

Die Basis der Rechnungen bildeten zwei Modellsysteme. In einem simpleren Modell wurden die einzelnen roten Blutkörperchen durch einige wenige kugelförmige Teilchen repräsentiert, die mit Sprungfedern zu einem diskusförmigen Gebilde verbunden sind. Vergleiche mit Daten aus Experimenten zeigten den Wissenschaftlern zufolge, dass schon dieses vergleichsweise einfache Modell die Viskosität von Blut sehr zuverlässig vorhersagt.

Für die Simulation des Blutflusses durch sehr enge Gefäße jedoch war ein detailliertes Modell notwendig, das auch die Zellmembran der Blutkörperchen berücksichtigt, die biegbar ist und Verformungen ermöglicht. Das detaillierte Modell ermöglichte auch Untersuchungen von Eigenschaften roter Blutkörperchen, etwa ihrer Deformierbarkeit und eben der Anziehungskräfte untereinander.

Bald Vorhersagen für Durchblutungsstörungen?


„Wir haben unsere Daten mit Daten aus Experimenten abgeglichen, soweit es diese gibt, und wissen deshalb, dass unsere Modelle gut funktionieren“, freut sich Gompper. „Wir planen deshalb, künftig damit auch die veränderten Eigenschaften zu untersuchen, die sich im Blut Kranker finden lassen. Diabetes beispielsweise verringert die Deformierbarkeit der roten Blutkörperchen. Dadurch erhöht sich der Strömungswiderstand des Blutes und die Durchblutung verschlechtert sich. Hier können wir uns vorstellen, dass sich aus der routinemäßigen Untersuchung der Eigenschaften einzelner roten Blutkörperchen diagnostische Vorhersagen für Durchblutungsstörungen ergeben.“ (PNAS Early Edition; 2011; doi:10.1073/pnas.1101210108)
(Forschungszentrum Jülich, 13.07.2011 - DLO)