Winzige Kräfte im Blut bestimmen Strömungswiderstand

Rote Blutkörperchen ziehen einander an, aber die Kräfte, die dabei wirken, sind winzig. Verglichen mit der Kraft, die durch das Gewicht einer sitzenden Stechmücke verursacht wird, sind sie etwa zehn Millionen Mal kleiner.

Dennoch bestimmen diese Kräfte den Strömungswiderstand von Blut, wie ein deutsch-amerikanisches Team von Physikern erstmals zeigen konnte. Die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und zweier US-amerikanischer Forschungseinrichtungen stellen diese und weitere Ergebnisse ihrer Berechnungen der physikalischen Eigenschaften von Blut in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „PNAS“ vor.

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 Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Jülicher Institute of Complex Systems. „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. 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, dass schon dieses vergleichsweise simple 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.

„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.“

Originalveröffentlichung:
Predicting human blood viscosity in silico; D. A. Fedosov, W. Pan, B. Caswell, G. Gompper, G. E. Karniadakis; PNAS Early Edition; Published online before print July 5, 2011;

doi: 10.1073/pnas.1101210108

Weitere Informationen, Fotos und Movie:
Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de
Forschung am Institut Theorie der Weichen Materie und Biophysik:
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-2/DE/Home/home_node.html
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Gerhard Gompper, Forschungszentrum Jülich, Theorie der Weichen Materie und Biophysik, Tel. 02461 61-4012, E-Mail: g.gompper@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de