Effect of red blood cell morphology and suspension heterogeneity on microcirculation dynamics

Abstract

The morphology and microcirculatory behavior of the red blood cell represent a dynamic interplay that essentially underlies the pathophysiology of various blood disorders. The abnormal shapes, as seen in spherocytosis and ellipsocytosis, affect RBC deformability significantly and, hence, the capacity to pass through narrow capillaries. This can lead to reduced blood flow and subsequent tissue ischemia, culminating in organ dysfunction. Numerical simulations using the Lattice-Boltzmann Method are conducted in the present work to explore how changes in RBC shapes-from healthy bi-concave shapes to spherocytes-affect the flow properties, such as flow rate, cell-free layer dynamics, and hydrodynamic diffusion. Non-trivial non-monotonic behaviors in flow rate versus asphericity are unveiled, which depend on channel width and point out optimal shapes for given geometries. We further discuss the consequences of heterogeneity within RBC suspension and show that the variation in concentration of abnormal shapes is crucially important to determine blood viscosity and flow dynamics. Interestingly, as few as 15% to 20% of spherocytes can reduce RBC flux by about 50% while doubling blood viscosity, whereas other abnormal shapes have relatively weaker effects. We also discuss the phenomenon of the "memory" of RBCs, proposing that their previous mechanical interactions determine their subsequent behavior and distribution, particularly at points of bifurcation, where lingering and partitioning happen.

Die Morphologie und das mikrozirkulatorische Verhalten der roten Blutkörperchen stellen ein dynamisches Zusammenspiel dar, das im Wesentlichen der Pathophysiologie verschiedener Bluterkrankungen zugrunde liegt. Die abnormen Zellformen, wie sie bei Sphärozytose und Elliptozytose auftreten, beeinträchtigen die Verformbarkeit der roten Blutkörperchen erheblich und damit auch ihre Fähigkeit, enge Kapillaren zu passieren. Dies kann zu einer verminderten Durchblutung und nachfolgender Gewebeischämie führen, was schließlich eine Organfunktionsstörung zur Folge haben kann. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Simulationen unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode durchgeführt, um zu untersuchen, wie Formveränderungen der roten Blutkörperchen – von gesunden bikonkaven Formen hin zu Sphärozyten – die Strömungseigenschaften wie Durchflussrate, Dynamik der zellfreien Schicht und hydrodynamische Diffusion beeinflussen. Dabei werden nicht-triviale, nicht-monotone Verhaltensweisen der Durchflussrate in Abhängigkeit von der Asphärizität aufgedeckt, die von der Kanalbreite abhängen und auf optimale Zellformen für bestimmte Geometrien hinweisen. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Heterogenität innerhalb einer Suspension roter Blutkörperchen diskutiert und gezeigt, dass die Konzentrationsvariation abnormaler Zellformen entscheidend für die Bestimmung der Blutviskosität und der Strömungsdynamik ist. Interessanterweise können bereits 15% bis 20% Sphärozyten den Fluss roter Blutkörperchen um etwa 50% reduzieren und gleichzeitig die Blutviskosität verdoppeln, während andere abnorme Zellformen vergleichsweise schwächere Effekte aufweisen. Zudem wird das Phänomen des „Gedächtnisses“ roter Blutkörperchen diskutiert: Frühere mechanische Wechselwirkungen bestimmen ihr späteres Verhalten und ihre Verteilung, insbesondere an Verzweigungspunkten, an denen Verweilen und Aufteilung auftreten.