Le riprese video ad alta velocità risolvono uno dei grandi misteri del flusso sanguigno umano

I globuli rossi sono dischi flessibili biconcavi che trascorrono la loro vita sospesi nel plasma sanguigno. Sono di gran lunga il più grande componente del sangue ordinario e di conseguenza svolgono un ruolo estremamente importante nel modo in cui scorre attraverso il corpo.

In condizioni normali, i globuli rossi si accumulano per formare strutture chiamate rouleaux come pacchi cilindrici di monete. Questi si formano e si rompono costantemente, ma possono anche aggrovigliarsi. Quando ciò accade, il sangue diventa più denso e alla fine si coagula.

Ma è facile immaginare che queste strutture rouleaux possano causare problemi man mano che i vasi sanguigni diventano più piccoli: i vasi più piccoli sono poco più grandi degli stessi globuli rossi.

Ma gli ematologi sanno da tempo che ciò non accade. Si scopre che il sangue ha una proprietà unica che impedisce questo tipo di ringhio: diventa più sottile e più fluido quando passa attraverso canali più piccoli. Il motivo per cui questo accade è qualcosa di misterioso.

Ma oggi Manouk Abkarian e dell'Università di Montpellier in Francia e alcuni amici dicono di aver capito cosa sta succedendo. Questi ragazzi hanno usato videocamere ad alta velocità per registrare il comportamento dei globuli rossi nelle stesse condizioni in cui vivono le cellule del corpo umano. E dicono che i loro risultati rovesciano il pensiero convenzionale sul ruolo dei globuli rossi nel sangue.

Prima un po' di background. La proprietà che rende il sangue più fluido quando scorre attraverso vasi più piccoli è noto come assottigliamento del taglio. Si verifica quando le forze in una parte di un liquido differiscono da quelle in un'altra, causando sforzi di taglio. I fisici chiamano liquidi che si comportano come questi fluidi non newtoniani.

Le sollecitazioni di taglio si verificano naturalmente nel flusso attraverso qualsiasi nave. Questo perché il fluido più vicino alla superficie del vaso si muove più lentamente del fluido nel mezzo e questo crea uno sforzo di taglio. Ma in che modo lo stress da taglio rende il sangue più fluido?

Parte del puzzle è che i biologi sanno da tempo che il plasma sanguigno è un fluido newtoniano: la sua viscosità non è influenzata dallo stress da taglio. Quindi qualsiasi comportamento non newtoniano deve essere causato dai globuli rossi, che sono sospesi nel plasma sanguigno e costituiscono fino al 45% del sangue.

Negli anni '70, l'ematologo iniziò a studiare il comportamento di queste cellule sospese in soluzioni acquose di polisaccaridi destrano, che si pensava imitassero le condizioni del corpo. Hanno scoperto che i globuli rossi girano come monete quando lo stress da taglio è basso. Ma all'aumentare dello stress da taglio, le cellule si orientano con il flusso e diventano stabili. Infatti, le cellule si allungano nella direzione del flusso formando ellissoidi oblati.

Ciò ha portato a un'influente teoria del flusso sanguigno. Questa teoria ha suggerito che in queste circostanze i globuli rossi si comportano come goccioline liquide. In altre parole, il sangue si comporta come un'emulsione.

Ma una cellula può comportarsi come una gocciolina solo se anche la sua membrana si comporta come un fluido. E questo ha delle conseguenze importanti.

Quando le cellule formano ellissoidi oblati, le forze di taglio le fanno ruotare. Il citoplasma all'interno della cellula è più viscoso del fluido esterno, quindi la membrana deve ruotare più rapidamente del citoplasma all'interno. Di lato sembrerebbe il movimento di una pista di carri armati.

Il cosiddetto tank-treading è diventato un fenomeno apparentemente ben noto per i globuli rossi che si muovono all'interno di piccoli vasi sanguigni.

Ma Abkarian e compagni ora affermano che questa teoria sul comportamento dei globuli rossi è sbagliata. Per cominciare, sottolineano che le prime soluzioni di polisaccaridi destrano non riproducevano accuratamente le condizioni all'interno del corpo. Dicono anche che le membrane dei globuli rossi non possono comportarsi come un liquido e che quindi è impossibile calpestare i serbatoi.

Invece, usano videocamere ad alta velocità per registrare il comportamento dei globuli rossi nei microcanali a temperatura corporea in soluzioni di destrano che imitavano la viscosità, l'osmolarità e il pH del sangue. Hanno quindi variato lo stress da taglio sperimentato dai globuli rossi controllando la portata.

I risultati costituiscono una lettura interessante. Abkarian e colleghi affermano che la viscosità del sangue subisce una serie di notevoli trasformazioni all'aumentare delle sollecitazioni di taglio e che queste sono il risultato di complessi cambiamenti nel comportamento dei globuli rossi.

All'inizio i globuli rossi ruzzolano come monete lanciate nel sangue. Ma quando le sollecitazioni di taglio aumentano, questo rotolamento cambia in un movimento di rotolamento. Le cellule sembrano rotolare su un lato, come pneumatici in fuga. E all'aumentare della proporzione di cellule che lo fanno, la viscosità del fluido diminuisce.

Ma il rotolamento è molto diverso dal calpestio del carro armato, che richiede che la membrana agisca come un fluido. In effetti, Abkarian e colleghi affermano che la caratteristica fondamentale del comportamento è che le membrane dei globuli rossi non agiscono come fluidi.

Man mano che le sollecitazioni di taglio aumentano ulteriormente, le cellule iniziano a schiacciarsi, il che presenta un'area superficiale inferiore al flusso. Questo porta a un ulteriore assottigliamento, dicono Abkarian e co.

E quando lo stress da taglio aumenta ulteriormente, i globuli rossi assumono una forma distorta, sviluppando tre o sei lobi. Non è chiaro esattamente come ciò avvenga, ma contribuisce all'assottigliamento del taglio consentendo alle cellule di piegarsi e quindi ridurre ulteriormente la loro superficie.

Il team supporta le proprie osservazioni creando un modello computerizzato delle celle, che riproduce questo comportamento quando vengono applicate le stesse sollecitazioni di taglio.

È un risultato interessante. Significa che la teoria delle goccioline liquide dei globuli rossi è sbagliata e il sangue non si comporta come un'emulsione. In effetti, il comportamento osservato è possibile solo se la membrana dei globuli rossi non diventa fluida e quindi separa più efficacemente il plasma dal citoplasma all'interno della cellula. La mancanza di fluidità della membrana per un elevato contrasto di viscosità tra i fluidi interni ed esterni è la caratteristica chiave che controlla il comportamento dei globuli rossi, affermano Abkarian e co.

Il nuovo pensiero ha alcune implicazioni importanti. Gli ematologi hanno usato l'idea del sangue come emulsione per spiegare vari fenomeni fisiologici. Ad esempio, il calpestio del serbatoio è una parte fondamentale di una teoria che spiega come i globuli rossi rilasciano ATP. Il nostro studio mette in dubbio la rilevanza di un'analogia simile a una gocciolina per la dinamica dei globuli rossi per spiegare questi fenomeni, affermano i ricercatori.

I fluidi viventi come il sangue sono estremamente importanti. Quindi una migliore comprensione del loro comportamento aiuterà inevitabilmente i ricercatori a gestirlo in modo più efficace. Sarà interessante vedere come il ribaltamento di questo pensiero convenzionale avrà un impatto in questo campo.

Rif: arxiv.org/abs/1608.03730 : Un nuovo sguardo al diradamento del taglio del sangue

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