Deformability-induced effects of red blood cells in flow

Abstract

To ensure a proper health state in the human body, a steady transport of blood is necessary. As the main cellular constituent in the blood suspension, red blood cells (RBCs) are governing the physical properties of the entire blood flow. Remarkably, these RBCs can adapt their shape to the prevailing surrounding flow conditions, ultimately allowing them to pass through narrow capillaries smaller than their equilibrium diameter. However, several diseases such as diabetes mellitus or malaria are linked to an alteration of the deformability. In this work, we investigate the shapes of RBCs in microcapillary flow in vitro, culminating in a shape phase diagram of two distinct, hydrodynamically induced shapes, the croissant and the slipper. Due to the simplicity of the RBC structure, the obtained phase diagram leads to further insights into the complex interaction between deformable objects in general, such as vesicles, and the surrounding fluid. Furthermore, the phase diagram is highly correlated to the deformability of the RBCs and represents thus a cornerstone of a potential diagnostic tool to detect pathological blood parameters. To further promote this idea, we train a convolutional neural network (CNN) to classify the distinct RBC shapes. The benchmark of the CNN is validated by manual classification of the cellular shapes and yields very good performance. In the second part, we investigate an effect that is associated with the deformability of RBCs, the lingering phenomenon. Lingering events may occur at bifurcation apices and are characterized by a straddling of RBCs at an apex, which have been shown in silico to cause a piling up of subsequent RBCs. Here, we provide insight into the dynamics of such lingering events in vivo, which we consequently relate to the partitioning of RBCs at bifurcating vessels in the microvasculature. Specifically, the lingering of RBCs causes an increased intercellular distance to RBCs further downstream, and thus, a reduced hematocrit.

Um die biologischen Funktionen im menschlichen Körper aufrechtzuerhalten ist eine stetige Versorgung mit Blut notwendig. Rote Blutzellen bilden den Hauptanteil aller zellulären Komponenten im Blut und beeinflussen somit maßgeblich dessen Fließeigenschaften. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser roten Blutzellen ist ihre Deformierbarkeit, die es ihnen ermöglicht, ihre Form den vorherrschenden Strömungsbedingungen anzupassen und sogar durch Kapillaren zu strömen, deren Durchmesser kleiner ist als der Gleichgewichtsdurchmesser einer roten Blutzelle. Zahlreiche Erkrankungen wie beispielsweise Diabetes mellitus oder Malaria sind jedoch mit einer Veränderung dieser Deformierbarkeit verbunden. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die hydrodynamisch induzierten Formen der roten Blutzellen in mikrokapillarer Strömung in vitro systematisch für verschiedene Fließgeschwindigkeiten. Aus diesen Daten erzeugen wir ein Phasendiagramm zweier charakteristischer auftretender Formen: dem Croissant und dem Slipper. Aufgrund der Einfachheit der Struktur der roten Blutzellen führt das erhaltene Phasendiagramm zu weiteren Erkenntnissen über die komplexe Interaktion zwischen deformierbaren Objekten im Allgemeinen, wie z.B. Vesikeln, und des sie umgebenden Fluids. Darüber hinaus ist das Phasendiagramm korreliert mit der Deformierbarkeit der Erythrozyten und stellt somit einen Eckpfeiler eines potentiellen Diagnosewerkzeugs zur Erkennung pathologischer Blutparameter dar. Um diese Idee weiter voranzutreiben, trainieren wir ein künstliches neuronales Netz, um die auftretenden Formen der Erythrozyten zu klassifizieren. Die Ausgabe dieses künstlichen neuronalen Netzes wird durch manuelle Klassifizierung der Zellformen validiert und weist eine sehr hohe Übereinstimmung mit dieser manuellen Klassifikation auf. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir einen Effekt, der sich direkt aus der Deformierbarkeit der roten Blutzellen ergibt, das Lingering-Phänomen. Diese Lingering-Ereignisse können an Bifurkationsscheiteln zweier benachbarter Kapillaren auftreten und sind durch ein längeres Verweilen von Erythrozyten an einem Scheitelpunkt gekennzeichnet. In Simulationen hat sich gezeigt, dass diese Dynamik eine Anhäufung von nachfolgenden roten Blutzellen verursacht. Wir analysieren die Dynamik solcher Verweilereignisse in vivo, die wir folglich mit der Aufteilung von Erythrozyten an sich gabelnden Gefäßen in der Mikrovaskulatur in Verbindung bringen. Insbesondere verursacht das Verweilen von Erythrozyten einen erhöhten interzellulären Abstand zu weiter stromabwärts liegenden Erythrozyten und damit einen reduzierten Hämatokrit.