Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gedränge in den Blutgefäßen

31.03.2014

Jülicher Physiker quantifizieren einen Schritt der Immunantwort

Weiße Blutzellen sind die Immunpolizisten unseres Körpers. In unseren Adern sausen sie durch die Gewebe und warten auf ihren Einsatzbefehl. Dann wandern sie durch die Wände der Blutgefäße in die erkrankte Region.


Ein mittlere Anzahl von roten Blutkörperchen und eine geringe Fließgeschwindigkeit (von links) drängen die weiße Blutzelle an den Rand der Kapillare.

Quelle: Forschungszentrum Jülich


Ist die Zahl der roten Blutkörperchen zu niedrig und die Fließgeschwindigkeit zu hoch, schwimmt die weiße Blutzelle im Teilchenstrom mit und kann die Gefäßwand nicht erreichen.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Welche Voraussetzungen dazu nötig sind, haben Jülicher Forscher nun erstmals mit Hilfe dreidimensionaler Computersimulationen quantitativ bestimmt. Ihre Erkenntnisse, die die renommierte Fachzeitschrift Soft Matter gerade als eine der interessantesten Veröffentlichungen des Jahres ausgezeichnet hat, können hilfreich für die Entwicklung von Mikrofluidik-Anwendungen, etwa für die Diagnostik von Krankheiten, sein.

Etwa fünf Liter Blut fließen in unseren Adern. Der Lebenssaft transportiert verschiedenste Blutbestandteile, darunter die weißen Blutzellen oder "Leukozyten", in jeden Winkel unseres Körpers. Sie sind dafür zuständig, unerwünschte Stoffe unschädlich zu machen, zum Beispiel krankmachende Bakterien.

Erkrankte Gewebe senden dazu einen Botenstoff an die Leukozyten, der die zunächst kugelrunden Zellen veranlasst, ihre Form zu ändern, um durch enge Öffnungen in den Blutgefäßen dorthin gelangen zu können, wo sie benötigt werden. Doch wie gelangen die Zellen, die mit einer Geschwindigkeit von mehreren Millimetern pro Sekunde durch die feinsten Verästelungen unserer Arterien und Venen strömen, überhaupt zu den Gefäßwänden, obwohl sie keinen aktiven Antrieb besitzen? Mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen gelang es Jülicher Forschern, diese umstrittene Frage nun zu beantworten.

Demnach werden die Leukozyten rein passiv an den Rand des Teilchenstroms in den Blutgefäßen befördert. Damit dies passiert, sind mehrere Faktoren wichtig: die Konzentration roter Blutzellen, die durch den sogenannten Hämatokrit-Wert angegeben wird, die Form und Größe der Zellen, sowie die Fließgeschwindigkeit. Die weißen Blutzellen kommen vergleichsweise selten vor und sind rund und starr.

Viel häufiger sind die roten Blutkörperchen. Sie sind etwas kleiner und diskusförmig. Diese Form führt dazu, dass bei bestimmten Hämatokrit-Werten und Fließgeschwindigkeiten, wie sie bei gesunden Menschen in den kleinen Verästelungen der Venen typisch sind, die roten Blutkörperchen überwiegend in der Mitte der Blutgefäße strömen und die weißen Blutzellen an den Rand drängen. So sind diese stets in Reichweite von Ankerproteinen in den Gefäßwänden, die bei Bedarf an die Leukozyten andocken und sie stoppen können.

Den Jülicher Physikern gelang es durch dreidimensionale Computersimulationen erstmals, dieses Phänomen auch zu quantifizieren. So konnten sie berechnen, ab wann Probleme auftauchen können, etwa bei zu hohem oder zu niedrigem Hämatokrit-Wert oder bei falscher Fließgeschwindigkeit, wie sie etwa bei Kranken vorkommen kann. Ihre Ergebnisse stimmen dabei mit einer Reihe vorhandener experimenteller Beobachtungen überein. Die Methode ermöglicht auch Vorhersagen, wie leicht Zellen ähnlicher Größe, zum Beispiel Tumorzellen, bei verschiedenen Kapillardurchmessern, Viskositäten oder Fließgeschwindigkeiten an die Gefäßwände gelangen können.

"Unsere Methode könnte auch für die Entwicklung neuer Technologien genutzt werden, etwa für die medizinische Diagnostik", freuen sich Dr. Dmitry A. Fedosov und Prof. Gerhard Gompper vom Jülicher Institutsbereich Theorie der Weichen Materie und Biophysik. Die Krankheit Malaria zum Beispiel ist oft schwer nachzuweisen, weil es Zeiten gibt, in denen nur wenige Malariaerreger im Blut der Erkrankten zu finden sind. Um sie zuverlässig erkennen zu können, wäre es wünschenswert, die von Parasiten befallenen roten Blutzellen von den anderen Blutbestandteilen abtrennen und konzentrieren zu können.

"Weil Malaria-befallene rote Blutzellen andere Eigenschaften haben als gesunde, könnte dies durch geschickt aufgebaute Vorrichtungen aus Mikroröhrchen möglich sein, die die nahe der Gefäßwände fließenden Zellen abtrennen", erläutern die Physiker, die Mitglieder des europäischen Forschungsprogramms "Microfluidics for label-free particle sorting" sind. Dieses arbeitet unter anderem an der Entwicklung von Methoden zum Auftrennen unterschiedlicher Zellen aus Blutproben, ohne sie vorher markieren zu müssen.

Fedosov hat die genutzte Simulationsmethode federführend entwickelt. Mit dieser Methode können Blutströmungen unter verschiedensten Bedingungen genau beschreiben und vorhergesagt werden. 2012 verlieh ihm die Alexander von Humboldt-Stiftung einen der höchstdotierten deutschen Wissenschaftspreise, den Sofja Kovalevskaja-Preis.

Originalveröffentlichung:
White blood cell margination in microcirculation;
D. Fedosov, G. Gompper;
Soft Matter, 2014, Advance Article, DOI: 10.1039/C3SM52860J

Ansprechpartner:
Dr. Dmitry A. Fedosov, Forschungszentrum Jülich
Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2/IAS-2)
Tel. 02461 61-2972, E-Mail: d.fedosov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-03-27immuna...

Dipl.-Biologin Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neurobiologie - Die Chemie der Erinnerung
21.11.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Diabetes: Immunsystem kann Insulin regulieren
21.11.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie