Physical properties of red blood cells in aggregation

Abstract

Red blood cells (RBC) are micron-sized biological objects and the main corpuscular constituent of blood. It flows from larger arteries to very small capillaries. Utilizing a physical approach, this work aims to assess properties that govern blood flows and in particular the disaggregation and aggregation mechanisms of RBC at a single cell level. The interactions of RBCs are thus, investigated experimentally by measuring adhesive forces in the pN range in various model solutions thanks to optical tweezers. While two models for aggregation have been proposed: bridging and depletion, experimental evidence is still lacking to decide which mechanism prevails. The research presented here provides a new insight on the aggregation of RBCs and shows that the two models may not be exclusive. A complete 3-dimensional phase diagram of doublets has been established and confirmed by experiments by varying the adhesive forces and reduced cell volumes. Besides, the effect of aggregation was studied in vitro in a bifurcating microcapillary network and the distribution of aggregates and their stability in such a geometry are reported. Finally, experiments in flow allowed the characterization of the flow field around single RBCs at different velocities. Interesting vortical fluid structures have been also observed thanks to tracer nanoparticles.

Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) sind biologische Objekte im Mikrometerbereich und der korpuskuläre Hauptbestandteil des Blutes. Es fließt aus größeren Arterien in sehr kleine Kapillaren. Unter Verwendung eines physikalischen Ansatzes zielt diese Arbeit darauf ab, die Eigenschaften zu bewerten, die den Blutfluss und insbesondere die Disaggregations- und Aggregationsmechanismen der RBC auf Einzelzellebene regeln. Die Interaktionen der Erythrozyten werden daher experimentell untersucht, indem Adhäsionskräfte im pN-Bereich in verschiedenen Modelllösungen mit Hilfe einer optischen Pinzette gemessen werden. Während mit Bridging und Depletion zwei Modelle für die Aggregation vorgeschlagen wurden, fehlen noch experimentelle Beweise, um zu entscheiden, welcher Mechanismus vorherrscht. Die hier vorgestellte Forschung liefert neue Erkenntnisse über die Aggregation von RBCs und zeigt, dass die beiden Modelle möglicherweise nicht exklusiv sind. Es wurde ein vollständiges dreidimensionales Phasendiagramm von Dubletten erstellt und experimentell durch Variation der Adhäsionskräfte und reduzierte Zellvolumina bestätigt. Außerdem wurde der Effekt der Aggregation in vitro in einem sich gabelförmigen Mikrokapillarnetz untersucht, und es wird über die Verteilung der Aggregate und ihre Stabilität in einer solchen Geometrie berichtet. Schließlich erlaubten Strömungsexperimente die Charakterisierung des Strömungsfeldes um einzelne RBCs bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dank Tracer-Nanopartikeln konnten auch interessante wirbelartige Fluidstrukturen beobachtet werden.