211service.com
Snelle videobeelden lossen een van de grote mysteries van de menselijke bloedstroom op
Rode bloedcellen zijn flexibele biconcave schijven die hun hele leven in bloedplasma worden gesuspendeerd. Ze zijn verreweg het grootste bestanddeel van gewoon bloed en spelen daarom een enorm belangrijke rol in de manier waarop het door het lichaam stroomt.
Onder normale omstandigheden stapelen rode bloedcellen zich op elkaar om structuren te vormen die rouleaux worden genoemd, zoals cilindrische pakken munten. Deze vormen zich voortdurend en vallen uiteen, maar ze kunnen ook verstrikt raken. Wanneer dit gebeurt, wordt het bloed dikker en stolt het uiteindelijk.
Maar het is gemakkelijk voor te stellen dat deze rouleaux-structuren problemen kunnen veroorzaken als bloedvaten kleiner worden - de kleinste bloedvaten zijn niet veel groter dan de rode bloedcellen zelf.
Maar hematologen weten al lang dat dit niet gebeurt. Het blijkt dat bloed een unieke eigenschap heeft die dit soort opeenhoping voorkomt: het wordt dunner en vloeibaarder als het door kleinere kanalen gaat. Waarom dit gebeurt, is iets mysterieus.
Maar vandaag zeggen Manouk Abkarian en aan de Universiteit van Montpellier in Frankrijk en een paar vrienden dat ze hebben uitgezocht wat er aan de hand is. Deze jongens hebben hogesnelheidsvideocamera's gebruikt om het gedrag van rode bloedcellen vast te leggen in dezelfde omstandigheden die de cellen in het menselijk lichaam ervaren. En ze zeggen dat hun resultaten het conventionele denken over de rol van rode bloedcellen in het bloed omverwerpen.
Eerst wat achtergrond. De eigenschap die bloed dunner maakt wanneer het door kleinere bloedvaten stroomt, staat bekend als afschuifverdunning. Het ontstaat wanneer de krachten in het ene deel van een vloeistof verschillen van die in een ander deel, waardoor schuifspanning ontstaat. Natuurkundigen noemen vloeistoffen die zich als deze niet-Newtoniaanse vloeistoffen gedragen.
Schuifspanningen komen van nature voor in de stroming door elk vat. Dat komt omdat de vloeistof die zich het dichtst bij het oppervlak van het vat bevindt, langzamer beweegt dan de vloeistof in het midden en dit veroorzaakt een schuifspanning. Maar hoe maakt schuifspanning het bloed vloeibaarder?
Een deel van de puzzel is dat biologen al lang weten dat bloedplasma een Newtoniaanse vloeistof is - de viscositeit ervan wordt niet beïnvloed door schuifspanning. Dus elk niet-Newtoniaans gedrag moet worden veroorzaakt door de rode bloedcellen, die in bloedplasma zijn gesuspendeerd en tot 45 procent van het bloed uitmaken.
In de jaren zeventig begon een hematoloog het gedrag van deze cellen te bestuderen die waren gesuspendeerd in waterige oplossingen van dextran-polysacchariden, waarvan werd gedacht dat ze de omstandigheden in het lichaam nabootsten. Ze ontdekten dat rode bloedcellen als munten omdraaien als de schuifspanning laag is. Maar naarmate de schuifspanning toeneemt, oriënteren de cellen zich met de stroom en worden ze stabiel. Inderdaad, de cellen strekken zich uit in de richting van de stroom en vormen afgeplatte ellipsoïden.
Dit leidde tot een invloedrijke theorie van de bloedstroom. Deze theorie suggereerde dat rode bloedcellen zich in deze omstandigheden gedragen als vloeistofdruppels. Met andere woorden, bloed gedraagt zich als een emulsie.
Maar een cel kan zich alleen gedragen als een druppel als zijn membraan zich ook als een vloeistof gedraagt. En dat heeft een aantal belangrijke consequenties.
Wanneer de cellen afgeplatte ellipsoïden vormen, zorgen de schuifkrachten ervoor dat ze roteren. Het cytoplasma in de cel is stroperiger dan de vloeistof buiten, dus het membraan moet sneller draaien dan het cytoplasma binnenin. Van de zijkant zou dit eruit zien als de beweging van een tankbaan.
Zogenaamd tankbetreden is een schijnbaar bekend fenomeen geworden voor rode bloedcellen die in kleine bloedvaten bewegen.
Maar Abkarian en co zeggen nu dat deze theorie van het gedrag van rode bloedcellen verkeerd is. Om te beginnen wijzen ze erop dat de vroege oplossingen van dextran-polysacchariden de omstandigheden in het lichaam niet nauwkeurig reproduceerden. Ze zeggen ook dat membranen van rode bloedcellen zich niet als een vloeistof kunnen gedragen en dat het betreden van tanks daarom onmogelijk is.
In plaats daarvan gebruiken ze hogesnelheidsvideocamera's om het gedrag van rode bloedcellen in microkanalen bij lichaamstemperatuur vast te leggen in dextraanoplossingen die de viscositeit, osmolariteit en pH van bloed nabootsten. Vervolgens varieerden ze de schuifspanning die door de rode bloedcellen werd ervaren door de stroomsnelheid te regelen.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Abkarian en co zeggen dat de viscositeit van het bloed een reeks opmerkelijke transformaties ondergaat naarmate de schuifspanningen toenemen en dat deze het resultaat zijn van complexe veranderingen in het gedrag van rode bloedcellen.
Aanvankelijk tuimelen rode bloedcellen als omgedraaide munten in bloed. Maar naarmate de schuifspanningen toenemen, verandert dit tuimelen in een rollende beweging. De cellen lijken op hun zij te rollen, als op hol geslagen banden. En naarmate het aantal cellen dat dit doet toeneemt, daalt de viscositeit van de vloeistof.
Maar rollen is heel anders dan tanken, waarbij het membraan als een vloeistof moet werken. Abkarian en co zeggen inderdaad dat het belangrijkste kenmerk van het gedrag is dat de membranen van rode bloedcellen niet werken als vloeistoffen.
Naarmate de schuifspanningen verder toenemen, beginnen de cellen platgedrukt te worden, wat een kleiner oppervlak aan de stroom geeft. Dit leidt tot een verdere afschuifverdunning, zeggen Abkarian en co.
En naarmate de schuifspanning nog verder toeneemt, worden de rode bloedcellen vervormd van vorm en ontwikkelen ze drie of zes lobben. Hoe dit precies gebeurt, is niet duidelijk, maar het draagt bij aan het dunner worden van de schuifkrachten door de cellen te laten vouwen en zo hun oppervlakte nog meer te verkleinen.
Het team ondersteunt hun waarnemingen door een computermodel van de cellen te maken, dat dit gedrag reproduceert wanneer dezelfde schuifspanningen worden toegepast.
Dat is een interessant resultaat. Het betekent dat de vloeistofdruppeltheorie van rode bloedcellen verkeerd is en dat bloed zich niet als een emulsie gedraagt. Het waargenomen gedrag is inderdaad alleen mogelijk als het membraan van de rode bloedcel niet vloeibaar wordt en zo het plasma beter scheidt van het cytoplasma in de cel. Het gebrek aan vloeibaarheid van het membraan voor een hoog viscositeitscontrast tussen binnen- en buitenvloeistof is het belangrijkste kenmerk dat het gedrag van rode bloedcellen regelt, zeggen Abkarian en co.
Het nieuwe denken heeft enkele belangrijke implicaties. Hematologen hebben het idee van bloed als emulsie gebruikt om verschillende fysiologische verschijnselen te verklaren. Tankbetreden is bijvoorbeeld een belangrijk onderdeel van een theorie die verklaart hoe rode bloedcellen ATP afgeven. Onze studie stelt vraagtekens bij de relevantie van een druppelachtige analogie voor de dynamiek van rode bloedcellen om deze verschijnselen te verklaren, zeggen de onderzoekers.
Levende vloeistoffen zoals het bloed zijn enorm belangrijk. Dus een beter begrip van hun gedrag zal onderzoekers onvermijdelijk helpen om er effectiever mee om te gaan. Het zal interessant zijn om te zien hoe het omverwerpen van dit conventionele denken dit veld zal beïnvloeden.
Referentie: arxiv.org/abs/1608.03730 : Een nieuwe kijk op bloedschuifverdunning