Red blood cell flow in in-vivo and in-vitro network

Abstract

The precise partitioning of red blood cells (RBCs) in the complex network of our circulatory system plays a crucial role in delivering oxygen to various organs and tissues. This phenomenon, crucial for overall health, is particularly significant in the context of diseases that impair blood flow, such as diabetes and malaria. The classical Zweifach- Fung effect has provided a foundational model, explaining that daughter branches with higher flow rates collect a greater number of RBCs. However, it has been demonstrated that deviations from this model occur in small capillaries. In the first part of this thesis, through in vivo experiments, we illuminate the phenomenon of lingering RBCs at bifurcations. Notably, we reveal that as the lingering effect increases, deviations from the Zweifach-Fung model become more pronounced. Crucially, a linear correlation emerges between the lingering effect and the deviation from Zweifach-Fung model. Our investigation also investigated the differnces characteristics of bifurcations to pinpoint the origins of this intriguing lingering effect. The second part of our study employs in vitro experiments to analyze the development of the cell-free layer (CFL) after bifurcations, where asymmetrical CFLs manifest in the daughter branches. To facilitate these experiments, we employ a method of RBC rigidification using glutaraldehyde. Our findings paint a distinct picture: the CFL develops at a markedly higher velocity for healthy RBCs compared to rigid RBCs. In sum, this comprehensive exploration of RBC partitioning and CFL development in microvascular bifurcations sheds new light on the intricacies of hemodynamics. Our results offer insights that extend beyond the confines of laboratory experiments, potentially impacting our understanding of blood flow in both health and disease.

Die präzise Aufteilung der roten Blutzellen (engl. red blood cells, RBCs) im komplexen Netzwerk unseres Kreislaufsystems spielt eine entscheidende Rolle bei der Sauerstoffversorgung zu den Organen und zum Gewebe. Dieses Phänomen, das für die allgemeine Gesundheit entscheidend ist, hat besonders in Zusammenhang mit Krankheiten, die den Blutfluss beeinträchtigen, wie Diabetes und Malaria, eine hohe Bedeutung. Der so genannte klassische Zweifach-Fung-Effekt hat ein grundlegendes Modell geliefert, das erklärt, dass Gefäße mit höheren Durchflussraten eine größere Anzahl von RBCs aufweisen. Es wurde jedoch gezeigt, dass Abweichungen von diesem Modell in kleinen Kapillaren auftreten. Im ersten Teil dieser Arbeit beleuchten wir durch in-vivo-Experimente ein Phänomen, bei dem RBCs an Verzweigungen verweilen, dem so genannten ”lingering” Effekt. Beachtenswert ist, dass mit zunehmendem Verweilen (engl. lingering) an der Bifurkation die Abweichungen vom Zweifach-Fung-Modell deutlicher werden. Hiebei zeigt sich eine lineare Korrelation zwischen dem Verweileffekt und der Abweichung vom Zweifach-Fung- Modell. Wir untersuchen auch die unterschiedlichen Eigenschaften von Verzweigungen, um die Ursprünge dieses faszinierenden Verweileffekts zu ermitteln. Der zweite Teil unserer Studie verwendet in-vitro-Experimente, um die Entwicklung der zellfreien Schicht (engl. cell-free layer, CFL) nach Verzweigungen zu analysieren, wobei asymmetrische CFLs in den Tochterzweigen auftreten. Zur Durchführung dieser Experimente verwenden wir eine Methode zur Versteifung der RBCs unter Verwendung von Glutaraldehyd. Unsere Ergebnisse zeichnen ein deutliches Bild: die CFL entwickelt sich bei gesunden RBCs im Vergleich zu versteiften RBCs mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit. Zusammenfassend liefert diese umfassende Untersuchung der Aufteilung der RBCs und der Entwicklung der CFL in mikrovaskulären Verzweigungen neue Erkenntnisse im Bereich der Hämodynamik. Unsere Ergebnisse bieten Einblicke, die über die Grenzen von Laborexperimenten hinausgehen und möglicherweise unser Verständnis des Blutflusses sowohl in der Gesundheit als auch bei Krankheiten beeinflussen können.