Höghastighetsvideofilmer löser ett av de stora mysterierna med mänskligt blodflöde

Röda blodkroppar är flexibla bikonkava skivor som tillbringar sina liv suspenderade i blodplasma. De är den överlägset största beståndsdelen i vanligt blod och spelar följaktligen en oerhört viktig roll för hur det strömmar genom kroppen.

Under vanliga förhållanden staplas röda blodkroppar ihop för att bilda strukturer som kallas rouleaux som cylindriska förpackningar med mynt. Dessa formas hela tiden och bryts upp men de kan också trassla in sig. När detta händer blir blodet tjockare och så småningom koagulerar det.

Men det är lätt att föreställa sig att dessa rouleauxstrukturer kan orsaka problem eftersom blodkärlen blir mindre - de minsta kärlen är lite större än de röda blodkropparna själva.

Men hematologer har länge vetat att detta inte händer. Det visar sig att blod har en unik egenskap som förhindrar den här typen av smuts – det blir tunnare och rinnigare när det passerar genom mindre kanaler. Varför detta händer är något mysterium.

Men idag säger Manouk Abkarian och vid universitetet i Montpellier i Frankrike och några kompisar att de har räknat ut vad som händer. Dessa killar har använt höghastighetsvideokameror för att registrera beteendet hos röda blodkroppar under samma förhållanden som cellerna upplever i människokroppen. Och de säger att deras resultat stör det konventionella tänkandet om de röda blodkropparnas roll i blodet.

Först lite bakgrund. Den egenskap som gör blod tunnare när det rinner genom mindre kärl kallas skjuvförtunning. Det uppstår när krafterna i en del av en vätska skiljer sig från de i en annan, vilket orsakar skjuvspänning. Fysiker kallar vätskor som beter sig så för icke-newtonska vätskor.

Skjuvspänningar sker naturligt i flödet genom vilket kärl som helst. Det beror på att vätskan närmast kärlets yta rör sig långsammare än vätskan i mitten och detta skapar en skjuvspänning. Men hur gör skjuvstress blodet rinnigare?

En del av pusslet är att biologer länge har vetat att blodplasma är en newtonsk vätska - dess viskositet påverkas inte av skjuvspänning. Så allt icke-newtonskt beteende måste orsakas av de röda blodkropparna, som är suspenderade i blodplasma och utgör upp till 45 procent av blodet.

På 1970-talet började en hematolog studera beteendet hos dessa celler suspenderade i vattenlösningar av dextranpolysackarider, som ansågs härma tillstånd i kroppen. De fann att röda blodkroppar vänder som mynt när skjuvspänningen är låg. Men när skjuvspänningen ökar orienterar sig cellerna med flödet och blir stabila. Faktum är att cellerna förlängs i flödesriktningen och bildar oblate ellipsoider.

Detta ledde till en inflytelserik teori om blodflödet. Denna teori föreslog att röda blodkroppar under dessa omständigheter beter sig som vätskedroppar. Med andra ord, blod beter sig som en emulsion.

Men en cell kan bara bete sig som en droppe om dess membran också beter sig som en vätska. Och det har några viktiga konsekvenser.

När cellerna bildar oblate ellipsoider får skjuvkrafterna dem att rotera. Cytoplasman inuti cellen är mer trögflytande än vätskan utanför, så membranet måste rotera snabbare än cytoplasman inuti. Från sidan skulle detta se ut som rörelsen av ett tankspår.

Så kallad tank-treading har blivit ett till synes välkänt fenomen för röda blodkroppar som rör sig inuti små blodkärl.

Men Abkarian och co säger nu att denna teori om röda blodkroppars beteende är fel. Till att börja med påpekar de att de tidiga lösningarna av dextranpolysackarider inte exakt reproducerade förhållanden i kroppen. De säger också att röda blodkroppsmembran inte kan bete sig som en vätska och att tanktrampning därför är omöjligt.

Istället använder de höghastighetsvideokameror för att registrera beteendet hos röda blodkroppar i mikrokanaler vid kroppstemperatur i dextranlösningar som efterliknade blodets viskositet, osmolaritet och pH. De varierade sedan skjuvspänningen som de röda blodkropparna upplevde genom att kontrollera flödeshastigheten.

Resultaten ger intressant läsning. Abkarian och co säger att blodets viskositet genomgår en serie anmärkningsvärda förändringar när skjuvspänningarna ökar och att dessa är resultatet av komplexa förändringar i röda blodkroppars beteende.

Till en början faller röda blodkroppar som vända mynt i blodet. Men när skjuvspänningarna ökar ändras denna tumlande till en rullande rörelse. Cellerna verkar rulla på sidorna, som skenande däck. Och när andelen celler som gör detta ökar, sjunker vätskans viskositet.

Men rullning är väldigt annorlunda än tanktrampning, vilket kräver att membranet fungerar som en vätska. Abkarian och co säger faktiskt att nyckeldraget i beteendet är att röda blodkroppsmembran inte fungerar som vätskor.

När skjuvspänningarna ökar ytterligare börjar cellerna att klämmas, vilket ger en mindre yta för flödet. Detta leder till en ytterligare skjuvgallring, säger Abkarian och co.

Och när skjuvspänningen ökar ytterligare, blir de röda blodkropparna förvrängda i form och utvecklar tre eller sex lober. Exakt hur detta händer är inte klart men det bidrar till skjuvförtunning genom att låta cellerna vika sig och så minska deras yta ännu mer.

Teamet backar upp sina observationer genom att skapa en datormodell av cellerna, som reproducerar detta beteende när samma skjuvspänningar appliceras.

Det är ett intressant resultat. Det betyder att vätskedroppsteorin om röda blodkroppar är fel och blod inte beter sig som en emulsion. Det observerade beteendet är faktiskt bara möjligt om det röda blodkroppsmembranet inte blir flytande och på så sätt separerar plasmat mer effektivt från cytoplasman inuti cellen. Bristen på membranfluiditet för hög viskositetskontrast mellan inre och yttre vätskor är nyckelfunktionen som styr röda blodkroppars beteende, säger Abkarian och co.

Nytänkandet har några viktiga konsekvenser. Hematologer har använt tanken på blod som en emulsion för att förklara olika fysiologiska fenomen. Till exempel är tanktrampning en viktig del av en teori som förklarar hur röda blodkroppar frigör ATP. Vår studie ifrågasätter relevansen av en droppliknande analogi för röda blodkroppars dynamik för att förklara dessa fenomen, säger forskarna.

Levande vätskor som blodet är enormt viktiga. Så en bättre förståelse av deras beteende kommer oundvikligen att hjälpa forskare att hantera det mer effektivt. Det ska bli intressant att se hur störtandet av detta konventionella tänkande kommer att påverka detta område.

Ref: arxiv.org/abs/1608.03730 : En ny titt på blodförtunnande

Dölj