Das Fließverhalten von Blut SSM 2

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1 Das Fließverhalten von Blut SSM 2 Ursula Windberger, DVM, BSc Department Biomedizinische Forschung

2 Agenda Technischer Teil Begriffe, Modelle, Strömungsformen Messprinzip Physiologischer Teil Von welchen Parametern wird die Vollblutviskosität beeinflusst Welche physiologische Bedeutung haben hämorheologische Parameter Praktische Durchführung Erstellung eines Arbeitsplans Ziel: Fallzahlplanung

3 Begriffe Rheologiestrasse Viskoses Verhalten elastisches Verhalten viskoelastisches Verhalten Beispiele Wasser Steine Gele, biologische Materialien Deformationsenergie Verloren Gespeichert Teilweise verloren, teilweise gespeichert Viskoelastisches Verhalten Viskoelastische Festkörper Viskoelastische Flüssigkeiten Blut ist eine nicht-newton sche, viskoelastische Flüssigkeit. Vollblut zeigt scherverdünnendes und thixotropes Verhalten.

4 Plattenmodell 2 übereinanderliegende Platten werden verschoben, im Mess-Spalt ist die Probe (wie Bierdeckel-Stapel) Begriffe: Schubspannung: τ = F/A ( shear stress, Einheit: Pa) Scherrate: ẏ = v/h oder dv/dh ( shear rate, Einheit: s -1 ) Ideal: die Geschwindigkeit v im Scherspalt h fällt linear ab es herrscht lineare Geschwindigkeitsverteilung. Daher ist in einer laminaren idealviskosen Strömung (wie in Wasser!) dv = constant. Alle Einzelschichten sind gleich groß dh = constant. Aber: Blut als viskoelastische Flüssigkeit kann auch eine andere Strömungsformen aufweisen, je nach der Möglichkeit zum Aufbau und Abbau von Strukturen (Aggregate, Rouleaux, Geldrollenbildung)

5 Strömungsformen

6 Rotationsversuche Vorgabe Ergebnis Rohdaten CSR-Test Drehzahl (min -1 ) Drehmoment (mnm) Messgröße CSR Scherrate ẏ (s -1 ) Schubspannung τ (Pa) Rohdaten CSS-Test Drehmoment (mnm) Drehzahl (min -1 ) Messgröße CSS Schubspannung τ (Pa) Scherrate ẏ (s -1 ) Berechnung der η = τ/ ẏ CSR ( controlled shear rate test ) wählt man, wenn die Flüssigkeit von selbst verläuft, also keine Fließgrenze hat und wenn die bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten simuliert werden soll (zb Rohrströmungen). CSS ( controlled shear stress test ) simuliert das Fließen durch Krafteinwirkung (Gletscher, Pumpkraft des Herzens) Fließkurven (τ vs. ẏ ), sfunktionen (η vs. ẏ ) Erweiterte Messprogramme: Vorscherphase zur Löschung des rheologischen Gedächtnisses, Ruhephase zur Relaxation der Probe, Messphase mit Scherratenrampe/Schubspannungsrampe

7 Welche Strömungsformen sind relevant? Was kann man bei der Messung von Blut als dh verwenden? Welche Strömungsform wird man bei RBC-Clusterbildung erwarten? Gibt es Phänomene, die diese Strömungsform stören?

8 Thixotropie Die Thixotropie ist ein zeitabhängiges Verhalten Strukturen (zb RBC-Aggregate) bauen sich bei gleichbleibender Scherrate oder Schubspannung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf. Gelingt nur bei niedrigen Scherraten (< 10 s -1 ) Dadurch wird die von Vollblut geringer sogenannte transiente Temperaturabhängiger Prozess Dieser Effekt wird verwendet zur Bestimmung von Aggregationsindices (im Aggregometer) und zur Bestimmung der Blutsenkung Blut ist noch komplizierter: Blut ist auch noch scherverdünnend. Prinzipiell gibt es zeit-abhängiges und zeit-unabhängiges scherverdünnendes Verhalten. Ohne spezielle Angabe ist immer zeit-unabhängiges Verhalten gemeint.

9 Thixotropie 0,1 Horse: pre-shear 300 s-1, relaxation 60s at 1 s ETA, TAU log/log 40 Pferd_12.02_20%_22 C 1 C Pa s Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Pa s 30 0,01 Pferd_12.02_20%_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm 10-2 Pferd_neu_20%_aufwärts_22 C T 15 Kaninchen Kegel-Platte 35% HCT 1 CP50-1-SN18224; d=0,1 mm T Temperatur Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm 10 0, s 400 Zeit t Pferd_neu_20%_aufwärts_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm s Zeit t Anton Paar GmbH Thixotropie ist das zeitabhängige Verhalten. Man kann Thixotropie messen, wenn man die Scherbelastung auf die Probe konstant lässt Man beobachtet bei Blut: die sinkt mit der Zeit dieser Effekt ist u.a. temperaturkontrolliert Anton Paar GmbH

10 Scherverdünnend Scherverdickend Newton sch Newton sch: idealviskoses Verhalten (Wasser, Eichöle). ändert sich nur mit der Temperatur Nicht-Newton sch: ist neben der Temperatur auch von der Scherrate/Schubspannung abhängig Viscosity ratio: VR = η(niedriger Scherrate)/η(hoher Scherrate) Nullviskosität: Aufbau- und Abbauprozesse halten sich innerhalb eines bestimmten (niedrigen) Scherratenbereichs die Waage Plateau für die. Für Blut fraglich. Wäre nur bei hohem HCT und hoher RBC Aggregation möglich. Nicht-Newton sch Blut: Bei niedriger Scherrate hohe Bei hoher Scherrate niedrige Gele, Polymere Scherverdünnend, strukturviskos BLUT Scherverdickend, dilatant Speisestärke, Zahnfüllmassen

11 Blut ist eine scherverdünnende Flüssigkeit Viscosity ratio: VR = η(niedriger Scherrate)/η(hoher Scherrate) Blut: Bei niedriger Scherrate hohe Bei hoher Scherrate niedrige

12 Blut ist sowohl eine scherverdünnende als auch eine thixotrope Flüssigkeit manchmal gibt es Probleme bei der Messung, da beide Vorgänge gleichzeitig ablaufen. Kommt bei hoher RBC-Aggregabilität vor (zb Pferd), aber nur bei niedrigen Scherraten, weil bei hohen Scherraten keine Aggregation der RBC stattfinden kann. Horse: pre-shear 300 s-1, relaxation 60s at 1 s-1 0,1 10 Pf erd_12.02_20%_22 C 1 Pa s Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm 0,01 Pf erd_12.02_20%_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Horse: pre-shear 300 s-1, relaxation 60s at 1 s-1 Pf erd_neu_20%_auf wärts_22 C 2 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm 0,1 10 0, s 400 Zeit t Anton Paar GmbH Pf erd_neu_20%_auf wärts_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Pa s 0,01 0, /s 10 3 Scherrate. Anton Paar GmbH Pferd_12.02_20%_22 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Pferd_12.02_20%_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Pferd_neu_20%_aufwärts_22 C 2 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm Pferd_neu_20%_aufwärts_37 C 1 Doppelspalt klein ka-sn3521; d=0 mm

13 Die Vollblutviskosität ist besonders vom Hämatokrit abhängig Je höher der Hämatokrit, desto größer die ETA, TAU log/log 0, CouettegroßHct81% 7.5mL37 C 2 DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm h 19.9 Couettegroß_Probe2_Hct20% 7,5mL37 C 2 Pa s 0,01 h DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm 17.9 CouettegroßHct50% 7.5mL37 C 2 DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm h Fließkurven von 3 Blutproben: 23.9 Couettegroß_Probe3_Hct78% 7,5mL37 C 2 h DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm 18.9 CouettegroßHct20% 20%, 50%, 7.5mL37 C 80% 2 Hämatokrit h (HCT) Quelle: Diplomarbeit Ch. Pöschl Couettegroß_Probe3_Hct50% 7,5mL37 C 2 0, /s 10 3 Scherrate i. Anton Paar GmbH h 19.9 Couettegroß_Probe2_Hct82% 7.5mL37 C 2 DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm h 19.9 Couettegroß_Probe2_Hct50% 7,5mL37 C 2 DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm h 23.9 Couettegroß_Probe3_Hct20%_ 7,5mL37 C 2 DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm h

14 Neben dem Hämatokrit spielt die Temperatur eine Rolle ETA, TAU log/log 1 10 Pa s 0,1 0,01 0, /s 10 3 Scherrate i. Anton Paar GmbH Blutprobe bei 20%, 50%, 80% HCT bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (7 C 37 C). Quelle: Diplomarbeit Ch. Pöschl, 2014

15 Neben dem Hämatokrit und der Temperatur spielt die RBC Aggregation eine Rolle Damit RBC aggregieren können, müssen Plasmaproteine vorhanden sein Auch mit Dextran oder Block-Co-Polymeren kann man die RBC Aggregation erhöhen Damit RBC aggregieren können müssen sie flexibel genug sein um parallele Oberflächen zu bilden (Größe, Geometrie der RBC) Zetapotential an der Zelloberfläche bei ph=7,4 möglichst gering wenige geladene Gruppen geringere Abstoßung

16 Alle Abhängigkeiten zusammenfassend von Vollblut zeigt: Hämatokrit-Abhängigkeit Temperatur-Abhängigkeit Abhängigkeit vom Ausmaß der RBC Aggregabilität Abhängigkeit von der Scherrate/Schubspannung Blut ist eine nicht-newton sche, viskoelastische Flüssigkeit. Vollblut zeigt scherverdünnendes und thixotropes Verhalten.

17 Wozu?? Strömungswiderstand: Gesetz von Hagen-Poiseuille Beschleunigungsarbeit für das Herz (½ mv 2 ). Ist aber nur ca. 1% der P*V-Arbeit Fahraeus-Effekt: Tochtergefäße haben niedrigeren HCT Blutzellen reichern sich im Axialstrom an, je nach RBC Aggregabilität Parabolisches Flussprofil wird abgestumpft, wenn RBC Aggregabilität hoch ist Plasmarandsaum wird größer endotheliale Schubspannung wird reduziert enos downreguliert Quelle: Kim et al, Am J Physiol 2007;293:H Quelle: Baskurt et al, Sem Thrombosis Hemostasis 2003;29:

18 Wozu?? Feinregulierung der Durchblutung Verteilung von RBC (Gewebe-HCT) Transit-Zeit in den Kapillaren (Sauerstoffaustausch) Strömungswiderstand (Hagen-Poiseuille) dort, wo keine Kaliberanpassung möglich ist enos-phosphorylierung beeinflusst, Kaliberanpassung über Breite des Plasmarandsaums Plasmarandsaum vom Flussprofil, RBC-Aggregabilität, RBC-Flexibilität abhängig Störung dieser Organisation: Pulsieren des Gefäßes und des Blutflusses Fahraeus-Lindqvist Effekt: sinkt in den Kapillaren Quelle: Schmidt, Thews: Physiologie des Menschen, Seite 502 Quelle: E. Ernst 1989 Hämorheologie: Theorie, Klinik, Therapie, Schattauer

19 Physiologische Bedeutung Was kann man erwarten, wenn zb bei einem Patienten, der an Diabetes mellitus leidet, die RBC-Aggregation hoch ist? Macht die RBC Aggregation überhaupt Sinn, oder hat sie nur negative Auswirkung auf die Perfusion?

20 Vorschläge? Praktische Durchführung des Wahlpflichtfaches Fragestellung suchen Equipment und Ausstattung berücksichtigen Passendes Studiendesign finden Gruppenvergleich, ungepaart oder gepaart Verlauf eines Parameters nach Änderung einer abhängigen Variablen Welche abhängige Variablen habe ich zur Verfügung Wie könnte man die Messgenauigkeit eruieren? Wieviele Versuche/Individuen benötige ich für eine Fallzahlplanung mindestens? Anderes

21 Praktische Durchführung: (m)ein Vorschlag Praktische Tätigkeit: Blut zentrifugieren, RBC waschen Verdünnungsreihen von RBC in Humanalbumin und NaCl herstellen Messung der Proben mit den verschiedenen HCT im Rheometer ( ) und im Aggregometer ( Aggregationsindices) bei jeweils konstanter Temperatur Ergebnisse: Hämatokritabhängigkeit von Blut wenn RBC Aggregation vorhanden ist Hämatokritabhängigkeit von Blut ohne RBC Aggregation Ab welchem HCT ist das Fließverhalten von Blut relevant unterschiedlich von Plasma Speziesvergleich mit dem Schaf Diskussion: Zuordnung des Fließverhaltens zu Stromgebieten im Körper Methodischer Fehler, gerätespezifischer Fehler Intra-Spezies Variabilität Inter-Spezies Variabilität Wenn möglich: Ermittlung des theoretischen optimalen HCT

22 HCT Bestimmung Zentrifugation trennt Zellen von Plasma Anämie: geringes Hämoglobin in der Blutprobe durch geringen HCT und/oder geringes Hb im RBC Hematokritzentrifuge

23 Geräte Rheometer MCR 301 (A. Paar, Graz, Österreich) bei 37 C sfunktionen CSR (1 100 s -1 ) Mit Doppelzylinder-Mess-System Mit Kegel-Platte Aggregometer MA1 (Myrenne, Roetgen, Deutschland) bei Raumtemperatur Aggregationsindices je nach Ausmaß der Lichttransmission durch die Blutprobe sfuntion, pre-shear 30s at 300 s-1, relaxation 10s at 1 s-1 0,1 10 Pa s 0,01 0, /s 10 3 Scherrate. Anton Paar GmbH

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit