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Untersuchung des dynamischen Verhaltens roter · PDF fileUntersuchung des dynamischen Verhaltens roter Blutkörperchen in mikrofluidischen Systemen Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades

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UntersuchungdesdynamischenVerhaltensroterBlutkrpercheninmikrofluidischenSystemen

DissertationzurErlangungdesDoktorgradesdermathematischnaturwissenschaftlichenFakultt

derUniversittAugsburg

vorgelegtvon

SusanneBraunmller

LehrstuhlfrExperimentalphysikIInstitutfrPhysik

UniversittAugsburgOktober2011

ErsterGutachter: Prof.Dr.AchimWixforthZweiterGutachter: Prof.Dr.MaltePeterTagderEinreichung: 26.Oktober2011TagdermndlichenPrfung: 8.Dezember2011

Inhaltsverzeichnis Kurzzusammenfassung ..................................................................................................................... 7

1 Einleitung ................................................................................................................................ 1

2 Grundlegendes ber rote Blutkrperchen ............................................................................... 5

2.1 Physiologischer Hintergrund und Motivation .................................................................... 5

2.1.1 Das kardiovaskulre System ...................................................................................... 5

2.1.2 Kleine Einfhrung in Rheologie und Dynamik des Blutes ........................................ 7

2.2 Biochemie und Biophysik .................................................................................................. 8

2.2.1 Aufbau der Zellmembran ........................................................................................... 9

2.2.2 Molekulare Grundlagen biophysikalischer Eigenschaften ....................................... 12

2.3 Mechanische und dynamische Eigenschaften .................................................................. 13

2.3.1 Blutkrperchen als elastische Festkrper ................................................................. 14

2.3.2 Gleichgewichtsformen und Formnderung roter Blutkrperchen in Ruhe .............. 18

2.3.3 Dynamisches Verhalten im Scherfluss ..................................................................... 20

3 Mikrofluidik: Einfhrung in Theorie und Experiment .......................................................... 23

3.1 Physikalische Grundlagen ................................................................................................ 23

3.1.1 Strmungstheorie - Die Navier-Stokes-Gleichung .................................................. 23

3.1.2 Eigenschaften der Mikrofluidik ............................................................................... 26

3.2 Verwendete mikrofluidische Komponenten und Setups .................................................. 28

3.2.1 PDMS-Mikrokanle ................................................................................................. 28

3.2.2 Glaskapillaren .......................................................................................................... 30

3.3 Datengewinnung und Analyse ......................................................................................... 30

4 Qualitative Studie roter Blutkrperchen anhand hochauflsender Abbildungen .................. 33

4.1 Einleitung ......................................................................................................................... 33

4.2 Membranundulationen und Kopplung zwischen Zytoskelett und Plasmamembran ........ 34

4.3 Mikro- und Nanostrukturen der Zellmembran ................................................................. 35

4.4 Gleichgewichtsformen roter Blutkrperchen ................................................................... 36

4.5 Zell-Adhsion ................................................................................................................... 40

5 Formnderung roter Blutkrperchen im Kapillarfluss .......................................................... 43

5.1 Einleitung ......................................................................................................................... 43

5.2 Experimente und Ergebnisse ............................................................................................ 45

5.2.1 Allgemeines zur Durchfhrung und Auswertung der Experimente ......................... 45

5.2.2 Statistisch verteiltes Auftreten der dynamischen Formen ........................................ 47

5.2.3 Formnderung in PDMS-Kanlen mit konstantem Querschnitt .............................. 50

5.2.4 Experimentelles Phasendiagramm ........................................................................... 56

5.3 Das Poiseuille-Flussprofil als kritischer Parameter ......................................................... 58

5.4 Diskussion ........................................................................................................................ 60

5.4.1 Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Modellen .................. 60

5.4.2 Einfluss der hydrodynmaischen Krfte auf den Formbergang ............................... 62

5.4.3 Molekulare Kontrollmechanismen der Formumwandlung ...................................... 65

5.4.4 Physiologische Einordnung der Ergebnisse ............................................................. 66

5.5 Zusammenfassung und Ausblick ..................................................................................... 67

6 Rote Blutkrperchen in Mikrokanlen oszillierender Breite ................................................ 69

6.1 Einleitung ......................................................................................................................... 69

6.2 Experimente und Ergebnisse ............................................................................................ 70

6.3 Diskussion ........................................................................................................................ 74

7 Relaxation der Fallschirmform in die bikonkave Ruheform ................................................. 79

7.1 Einleitung ......................................................................................................................... 79

7.2 Biochemische und mikroanatomische Grundlagen .......................................................... 80

7.2.1 Regulierung des Zytoskeletts durch Protein-Phosphorylierung ............................... 80

7.2.2 Bedeutung des Formgedchtnisses roter Blutkrperchen ........................................ 82

7.3 Experimente und Ergebnisse ............................................................................................ 83

7.4 Diskussion ........................................................................................................................ 88

7.4.1 Zweistufige Relaxation ............................................................................................ 88

7.4.2 Einfluss von ATP auf das Relaxationsverhalten ...................................................... 92

7.4.3 Zusammenfassende Diskussion und Ausblick ......................................................... 95

8 Chemisch modifizierte rote Blutkrperchen im Kapillarfluss .............................................. 99

8.1 Einleitung, Motivation und physiologischer Hintergrund................................................ 99

8.2 Wirkungsweise von Formalin und Diamid .................................................................... 101

8.2.1 Formalin und Diamid: physiologische Bedeutung und Reaktivitt ....................... 101

8.2.2 Diamid: spezifische Oxidation von Cysteinen in roten Blutkrperchen ................ 103

8.3 Theoretische Konzepte der Polymerphysik .................................................................... 106

8.3.1 Dehnung einer idealer Polymerkette ...................................................................... 106

8.3.2 Biegesteifigkeit eines flexiblen Stbchens ............................................................. 109

8.3.3 Abgeleitete Hypothesen ......................................................................................... 111

8.4 Experimente und Ergebnisse .......................................................................................... 112

8.4.1 Analytik der modifizierten Zytoskelettproteine ..................................................... 112

8.4.2 Starke lokale Deformation: Mikropipetten-Aspiration .......................................... 114

8.4.3 Dynamisches Verhalten in Kanlen mit konstantem Querschnitt .......................... 117

8.4.4 Dynamische Phasendiagramme ............................................................................. 118

8.5 Diskussion ...................................................................................................................... 123

8.5.1 Molekulare Mechanismen der Formumwandlung im Kapillarfluss ....................... 124

8.5.2 Mgliche physiologische Bedeutung ..................................................................... 131

8.6 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................... 133

9 Abschlieende Diskussion und Ausblick ............................................................................ 135

Anhang ......................................................................................................................................... 141

A.1 Probenprparation ..............................................

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