Bouwen met bloedcellen
Geef een kind een grote doos blokken en binnen de kortste keren bouwt hij er torens, bruggen en treinen mee. Geef een wetenschapper een microscoop, een naald om bloed te prikken en wat eiwitten en hij kan er hetzelfde mee aanvangen. Voor fysici zijn rode bloedcellen namelijk de perfecte bouwblokken om treintjes en bruggen mee te maken.
Rode bloedcellen (RBC) zijn unieke, schijfvormige cellen in bloed. Onder invloed van bepaalde eiwitten in het bloedplasma kunnen de RBC samenklitten/aggregeren in lange treintjes, die we rouleaux noemen. In uitzonderlijke omstandigheden is het echter ook mogelijk dat deze rouleaux gaan vertakken en heuse netwerken vormen. Als zo'n netwerk zich kan vormen in een bloedvat heeft dat potentieel ernstige gevolgen.
In dit werk kijken we eerder welke structuren en 'bouwwerken' aggregerende cellen kunnen vormen bij verschillende concentraties RBC. Voor het eerst berichten we ook over de zogenaamde percolatienetwerken van cellen die we bij hoge RBC concentraties tegenkomen.
RBC-aggregatie als houtlijm
Iedereen heeft wel eens een wond gehad waar dan een korstje op verschijnt. Dat korstje bestaat onder meer uit een bloedprop waar RBC permanent aan elkaar worden vastgemaakt. Dit stollen van bloed (of coagulatie) is dus een onomkeerbaar proces omdat de gevormde prop nooit terug tot individuele cellen kan worden opgebroken. Vergelijk het met twee houtblokken die je aaneen wil vastmaken. Als je ze met vijzen vastmaakt, zullen ze permanent blijven vasthangen en krijg je ze niet uiteen zonder de structuur te breken.
Je kan er echter ook voor kiezen om een houtlijm te gebruiken. Smeer je weinig lijm tussen de blokken, dan zullen ze zwak gebonden zijn en kunnen ze makkelijk terug lossen. Als je veel lijm toevoegt zijn de blokken sterker gebonden. Daarnaast zijn de lijmlaagjes ook dikker waardoor ze eerder beginnen kleven wanneer je ze bijeenbrengt. Het blijft wel steeds mogelijk om de blokken met lijm terug te scheiden door genoeg kracht toe te voegen.
Voor rode bloedcellen werkt het proces van RBC-aggregatie gelijkaardig. Net als de houtlijm, zorgen bepaalde plasmaeiwitten ervoor dat de RBC tijdelijk aan elkaar worden gebonden. De sterkte van deze interactie hangt af van de hoeveelheid eiwitten die aanwezig is. In tegenstelling tot bloedstolling is deze aggregatie wel omkeerbaar. Als je genoeg kracht toevoegt (bijvoorbeeld je hart dat pompt), zullen de RBC van elkaar loskomen.
In de afbeelding hierboven is de invloed van de hoeveelheid plasma eiwitten voorgesteld. Met te weinig eiwitten (a) ga je moeilijk binden. Bij een ideale concentratie (b), heb je de meeste gebonden eiwitten en dus de sterkste aantrekking. Bij een teveel aan eiwitten (c) kan het zijn dat je twee naburige RBC niet meer kan binden met hetzelfde eiwit. Dit is ook nadelig voor de sterkte van de binding.
Alles begint bij de eerste steen
Twee aggregerende rode bloedcellen vormen een doublet. Daarna kunnen er zich meer en meer RBC bijvoegen tot een rouleau vormt. Deze treintjes van rode bloedcellen lijken veel op een rolletje munten.
Rouleau-vorming is afhankelijk van de concentratie RBC en de concentratie plasma eiwitten. Zijn er meer RBC aanwezig, dan is de kans dat ze elkaar tegenkomen groter en vorm je dus makkelijker langere treintjes. Als je meer houtblokken hebt kan je langere treintjes bouwen. Een hogere concentratie plasma eiwitten geeft een sterkere interactie tussen de RBC, of dus een sterkere ‘lijm’. Bij hoge concentraties RBC komen er steeds meer en langere rouleaux voor en vind je bijna geen ongebonden cellen meer. Door de aard van de interacties is het echter ook perfect mogelijk dat rouleaux onderling gaan aggregeren. Dat wil zeggen dat je rouleaux gaat vinden die samenklitten aan elkaar en zo dus vertakkingen vormen. Deze vertakkingen kunnen dan weer verder vertakken tot er zich heuse netwerken van RBC gaan vormen.
Op een bepaald ogenblik zal de RBC concentratie zo hoog zijn dat de netwerken de ganse ruimte gaan opspannen. In dat geval zijn alle wanden van het bloedstaal verbonden met elkaar door het netwerk van RBC. Je kan als het ware van eender welke wand naar een andere 'wandelen' via deze bruggen van cellen. Wanneer zo'n netwerk de ganse ruimte opspant, zegt men dat er percolatie optreedt. Percolerende netwerken zijn belangrijk aangezien ze de fysische en mechanische eigenschappen van het RBC-mengsel veranderen.
In volgende afbeelding is een netwerk van RBC te zien (grijs) dat zich bevind in een balkvormige ruimte. De blauwe, gele en rode lijnen duiden paden aan tussen tegenovergestelde wanden van de ruimte. Deze paden kan je bewandelen en tonen dus aan dat het RBC-netwerj de ruimte opspant.
Bij lage concentraties RBC bestaat het mengsel uit een hoop vloeistoffen met wat cellen in. Het gedraagt zich dan ook als een vloeistof wanneer je er kracht aan toevoegt. Bij percolatienetwerken verbinden de RBC-bruggen echter de wanden. Het ganse systeem is hierdoor veel sterker en gedraagt zich meer als een vaste stof. Zo wordt het veel moeilijker om het netwerk op te breken. Onder bepaalde omstandigheden (veel plasmaeiwitten, regio met traag vloeiend bloed...) is het mogelijk dat percolatie optreedt in het menselijk lichaam. Als het hart dan niet krachtig genoeg of te traag klopt om de netwerken op te breken krijg je obstructies. Potentieel is dit gevaarlijk bij patiënten die lang inactief gehospitaliseerd zijn en atleten met een lage hartslag.
Fluorescentie toont de microscopische wereld
In dit onderzoek maken we gebruik van fluorescentie microscopie om de bloedstalen te visualiseren. Daarbij wordt elke cel als het ware gekleurd met een speciale verflaag. Als we de cellen belichten met een laser, schijnt de verflaag een andere kleur licht terug. Dat licht wordt opgevangen en gebruikt om beelden van te maken. Die beelden gebruiken we om 3D-reconstructies te maken van de RBC-netwerken. Uit deze driedimensionale beelden kunnen we informatie over de structuur van de netwerken.
Met ons onderzoek leggen we de basis voor verder onderzoek naar percolatienetwerken van rode bloedcellen en de gevaren dat deze kunnen inhouden voor patiënten.
