Flow of healthy and sickle red blood cells in microcirculatory conditions : clustering process and self-margination phenomenon

Abstract

I experimentally characterized the clustering formation of healthy and sickle red blood cells (RBCs) flowing through straight micro-capillaries. The effect of aggregation was also investigated. I found that cluster formation under physiological conditions is most likely caused by a combination of hydrodynamic and macromolecule-induced interactions. Macromolecule-induced interactions are not fully overcome by shear stresses within the physiological range, and they contribute to cluster stability. Moreover, I found that a pronounced bimodal distribution of the cell-to-cell distances in the hydrodynamic clusters is produced. Additionally, I investigated experimentally the collective behavior of oxygenated sickle RBCs and their distribution along cylindrical micro-capillaries with diameters comparable to a human venule or arteriole. I have shown that there is a heterogeneous distribution of RBCs according to their density: low-density cells tend to stay closer to the center of the channel, while most dense cells (also more rigid) self-marginated under defined conditions. Aggregation seems to inhibit self-margination depending on the aggregative factor and patient: dextran allows self-margination in some patients and inhibits it in others. Plasma inhibits self-margination of cells in all cases, highlighting the importance of the plasma proteins and adhesive molecules in the aggregation phenomena.

Ich habe experimentell das Aggregationsverhalten gesunder und sichelförmiger roter Blutzellen während des Flusses durch Mikrokapillaren charakterisiert. Der Aggrega- tionseffekt wurde ebenfalls untersucht. Ich habe festgestellt, dass die Aggregation unter physiologischen Bedingungen sehr wahrscheinlich durch eine Kombination aus hydrodynamischen und durch Makromoleküle induzierten Interactionen verursacht wird. Letztere werden in physiologischen Bereichen nicht vollständig durch Scherspannungen beeinflusst überwunden und tragen zur Stabilisierung von Aggregaten bei. Außerdem habe ich gezeigt, dass der Zell-Zell Abstand in hydrodynamischen Aggregaten ausgeprägt bimodal verteilt ist. Zusätzlich habe ich das kollektive Verhalten von sauerstoffreichen sichelförmigen roten Blutzellen und deren Verteilung in zylindrischen Mikrokapillaren mit Durchmessern, die denen von humanen Venulen oder Arteriolen entsprechen, experimentell untersucht. Ich habe gezeigt, dass rote Blutkörperchen abhängig von ihrer Dichte, heterogen verteilt sind: Zellen geringerer Dichte neigen dazu sich näher an der Mitte des Kanals zu befinden, während die meisten Zellen größerer Dichte (die auch höhere Steifigkeit haben) unter definierten Bedingungen zur Kanalwand migrieren. Aggregation scheint Selbst- Margination abhängig vom Aggregationsfaktor und Patienten zu hemmen: Dextran führt bei einigen Patienten zur Selbst-Margination, während es diese bei anderen hemmt. Plasma hemmt die Selbst-Margination in allen Experimenten, was die Bedeutung der Plasmaproteine und Plasmaklebemoleküle für Aggregationsphänomene verdeutlicht.