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Unser Blut strömt turbulenter als gedacht

Schon kleine Biegungen und Einengungen der Adern können den Blutstrom stark verwirbeln

Blut
Zwischen den Pumpphasen des Herzens können in unseren Adern starke Verwirbelungen entstehen, wie nun ein Experiment enthüllt. © peterschreiber media/ iStock

Verwirbelter Strom: Das Blut in unseren Adern strömt weniger gleichmäßig und glatt als bislang angenommen. Denn schon kleine Biegungen und Einengungen der Gefäße reichen aus, um beim Abebben des Pumpschubs starke Turbulenzen hervorzurufen, wie nun ein Experiment enthüllt. Unsere Blutgefäße könnten demnach deutlich höheren Belastungen ausgesetzt sein als vermutet – und das könnte Arteriosklerose und andere Gefäßkrankheiten fördern, wie die Forscher berichten.

Das Herz pumpt unser Blut in regelmäßigen Schüben durch die Adern – an diese wechselnde Belastung sind die Gefäße in gesundem Zustand gut angepasst. Die Zellen an den Innenwänden der Adern sind so angeordnet, dass sie den in Fließrichtung wirkenden Kräften standhalten können. Zudem gingen Mediziner bislang davon aus, dass unser Blut wegen seiner Dickflüssigkeit und der eher geringen Geschwindigkeit in einem eher glatten, wenig turbulenten Strom durch die Adern fließt.

Blut und Wasser im Strömungstest

Doch das stimmt nicht ganz, wie nun Experimente von Duo Xu vom Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich (IST) und seinen Kollegen enthüllen. Sie hatten zunächst untersucht, wie sich Wasser verhält, das nicht gleichmäßig, sondern in regelmäßigen Schüben durch ein sieben Millimeter dickes und zwölf Meter langes Rohr gepumpt wird. Das gleiche testeten sie mit Blut in einer vier Millimeter dicken Leitung.

Turbulenzen
Visualisierung eines helikalen und turbulenten Blutstroms © ZARM/ Universität Bremen

Es zeigte sich: Während der Phase starken Schubs flossen Wasser und Blut regelmäßig und in einer laminaren, glatten Strömung durch die Leitungen. Ähnlich geschieht dies auch in unsern Adern während der Systole, der Phase, in der das Herz sich zusammenzieht und aktiv Blut in den Körper pumpt. Kleinere Störungen beispielsweise durch Krümmungen der Adern, vorspringende Wandstellen oder Einengungen stören diesen Blutfluss kaum.

Spiralige Verwirbelungen bei verlangsamten Strom

Anders ist dies jedoch, wenn die Fließgeschwindigkeit zwischen zwei Pumpschüben sinkt. „Während dieser Verlangsamung verursachten schon kleine geometrische Fehler ein helikales Wirbelmuster, das dann zu Schüben von Turbulenzen wurde“, berichten Xu und seine Kollegen. Diese spiraligen Wirbel traten schon bei kleinen Biegungen oder Einengungen der Leitungen auf. Erst wenn der nächste Schub begann und der Flüssigkeitsstrom wieder Fahrt aufnahm, glätteten sich die Turbulenzen und die Strömung wurde wieder laminar.

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„Es ist erstaunlich, dass diese Instabilität in früheren Studien übersehen wurde“, sagt Xus Kollege Björn Hof. Doch wie diese Experimente nahelegen, ist das Blut offenbar anfälliger für Turbulenzen als bislang gedacht. Gerade bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten können in den Adern demnach erhebliche Strömungsschwankungen und Verwirbelungen auftreten.

Schäden an den Zellen der Gefäßwand

Das Problem dabei: Die Zellen an der Innenwand unserer Blutgefäße sind zwar an Druck und Spannungen in Fließrichtung angepasst. Aber gegenüber quer zum Strom wirkenden Scherspannungen reagieren sie relativ sensibel, wie die Forscher erklären. Genau solche Kräfte entstehen aber während der Turbulenzen: „Dieses Szenario erzeugt schwankende Scherspannungen und Fließumkehrungen während jedes Pumpzyklus“, berichten sie.

Für die sensible Innenwand der Gefäße bedeutet dies: Wenn Adern beispielsweise durch entzündliche Wandverdickungen oder die Ablagerung von Substanzen verengt sind, kann es an diesen Stellen schnell zu Turbulenzen kommen, die dann die Aderwand zusätzlich schädigen. „Solche instabilen Bedingungen können den Blutgefäßen schaden, berichten Xu und seine Kollegen. „In Studien wurde schon gezeigt, dass dies Entzündungen und Dysfunktion in der Endothel-Zellschicht hervorrufen kann.“ Eine schon bestehende Arteriosklerose kann dadurch noch schlimmer werden.

In welchem Maße die Turbulenzen des Blutes zu solchen Gefäßerkrankungen beitragen und wie man dies verhindern kann, ist noch unklar. Weitere Forschungen dazu sind nun nötig. (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2020; doi: 10.1073/pnas.1913716117)

Quelle: Institute of Science and Technology Austria

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