Suchen

Blutzellen per Strömung trennen

Ein Mikrokanal macht die Welle

| Autor/ Redakteur: Christian Wißler* / Christian Lüttmann

Blutzellen durch einen schmalen Kanal pumpen, um gesunde und kranke Zellen zu unterscheiden. Mit der richtigen Kanalform soll dies für bestimmte Krankheiten möglich sein. Simulationen von Forschern der Universität Bayreuth zeigen nämlich, dass sich die kranken Zellen durch die Strömung abtrennen lassen. So könnte zum Beispiel die Schwere der Erkrankung eingeschätzt werden.

Firmen zum Thema

Verteilung von Teilchen in einem Mikrokanal mit geradlinigen (oben) und mit welligen Seitenwänden (unten)
Verteilung von Teilchen in einem Mikrokanal mit geradlinigen (oben) und mit welligen Seitenwänden (unten)
(Bild: Christian Göppner)

Bayreuth, Grenoble/Frankreich – Mikrokanäle haben winzige Durchmesser zwischen 10 und 500 Mikrometern. Wenn Blutzellen, Körperzellen oder weiche Kapseln in der Strömung einer wässrigen Flüssigkeit durch Mikrokanäle mit geradlinigen Seitenwänden hindurch geleitet werden, werden sie durch die Strömung in eine Drehbewegung versetzt. Dadurch bewegen sie sich auf die Kanalmitte zu wie auf eine imaginäre Anziehungslinie. An dieser Linie wandern dann alle Teilchen entlang – unabhängig von ihrer Härte oder Größe.

Forschergruppen der Universitäten Bayreuth und aus dem französischen Grenoble haben schon vor einigen Jahren die Erklärung für dieses Phänomen gefunden: Entscheidend ist dabei, dass die weichen Teilchen ihre Form unter dem Einfluss der Druck- und Strömungsverhältnisse im Kanal ändern. „Wir waren daher neugierig darauf, wie sich weiche Teilchen verhalten, wenn sie in Strömungen durch Mikrokanäle mit welligen Wänden wandern. Diese Kanäle haben eine symmetrische Form, weil sie eine gerade Längsachse haben, während ihr Durchmesser abwechselnd kleiner und größer wird. Zuvor war noch nie untersucht worden, wie sich die Wanderungsbewegungen von Teilchen unter diesen Verhältnissen ändern“, sagt Prof. Dr. Walter Zimmermann von der Universität Bayreuth.

Bildergalerie

Gewellte Wände sorgen für Trennung

In Simulationsrechnungen modellierten die Forscher der Universitäten Bayreuth und Grenoble sowie des Forschungszentrums Jülich das Verhalten von weichen Teilchen in einem Mikrokanal mit gewellten Seitenwänden. Dabei stellte sich heraus, dass nicht nur eine Anziehungslinie in der Kanalmitte entsteht, sondern sich außerdem zwei weitere Anziehungslinien bilden. Diese befinden sich zwischen der Kanalmitte und den beiden Seitenwänden und verlaufen parallel zu den Seitenwänden ebenfalls wellenförmig.

Je nach Härtegrad der simulierten Teilchen verhielten diese sich anders in der Strömung: Weichere Kapseln bewegten sich zur Kanalmitte und wanderten auf dieser Längsachse voran. Härtere Kapseln dagegen schwenkten auf die wellenförmigen Anziehungslinien ein.

„Aufgrund dieser grundlegenden physikalischen Entdeckung wollten wir herausfinden, ob sich daraus Anwendungen für die Medizin ableiten lassen, und haben das Verhalten von härteren und weicheren roten Blutzellen untersucht“, sagt Winfried Schmidt, Doktorand im Elitestudienprogramm Biological Physics in Bayreuth. Denn es gibt zahlreiche Krankheiten, wie etwa Malaria, Krebs oder Diabetes mellitus, die dazu führen, dass sich die Härte von Zellen verändert.

Hilfe beim Erkennen von Krankheiten?

Je nach Erkrankung sind kranke Zellen entweder härter oder weicher als gesunde Zellen. Wie sich herausstellte, lassen sich in allen diesen Fällen kranke und gesunde Zellen mit demselben einfachen Verfahren trennen: Sie wandern im Mikrokanal zu unterschiedlichen Anziehungslinien und können am Ende des Kanals getrennt eingesammelt werden. So lassen sich voraussichtlich Rückschlüsse auf den Schweregrad und auf weitere Merkmale einer Erkrankung ziehen.

Weitere Anwendungspotenziale ergeben sich daraus, dass nicht nur härtere und weichere, sondern auch größere und kleinere weiche Teilchen auf diese Weise getrennt werden können: Kleinere Teilchen bewegen sich auf der Längsachse voran, größere auf den welligen äußeren Anziehungslinien.

Praktische Experimente stehen noch aus

Die jetzt veröffentlichten Erkenntnisse zeigen beispielhaft, wie stark die physikalische Grundlagenforschung durch moderne Computer und Großrechner vorangetrieben wird. „Unsere Resultate haben wir durch theoretische Überlegungen und Berechnungen sowie durch Computersimulationen erzielt“, sagt Erstautor Matthias Laumann, Physik-Doktorand an der Universität Bayreuth. Noch stehen experimentelle Bestätigungen der Ergebnisse aus. Dass die Resultate bereits in einer renommierten Fachzeitschrift angenommen wurden zeige, wie überzeugend die Simulationen sind, ergänzt der Physiker. „Wir würden uns freuen, wenn unsere Publikation Experimente anregt, in denen andere Forschungsgruppen weitere spannende Anwendungspotenziale in und außerhalb der Medizin entdecken“, schließt Laumanns Doktorvater Zimmermann.

Originalpublikation: M. Laumann, W. Schmidt, A. Farutin, D. Kienle, S. Förster, C. Misbah, W. Zimmermann: Emerging Attractor in Wavy Poiseuille Flows Triggers Sorting of Biological Cells. Phys. Rev. Lett. 122, 128002 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.128002

* C. Wißler, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45867895)