Leukozyten in den Blutgefäßen

Weiße Blutzellen sind die Immunpolizisten unseres Körpers. In unseren Arterien und Venen sausen sie durch die Gewebe und warten auf ihren Einsatzbefehl. Dann wandern sie durch die Wände der Blutgefäße in die erkrankte Region. An die Gefäßwände gelangen sie passiv. Welche Voraussetzungen dazu nötig sind, haben Jülicher Forscher nun erstmals mit Hilfe dreidimensionaler Computersimulationen quantitativ bestimmt. Ihre Erkenntnisse können hilfreich für die Entwicklung von Mikrofluidik-Anwendungen, etwa für die Diagnostik von Krankheiten sein.

Die weißen Blutzellen oder „Leukozyten" 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 erreichen die Leukozyten rein passiv den Rand des Teilchenstroms in den Blutgefäßen. Dazu 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 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.

Ihre Methode ließe sich auch für die Entwicklung neuer Technologien nutzen, etwa für die medizinische Diagnostik, so Dmitry A. Fedosov und 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.

FZJ / PH