De bloedstroom bij patiënten met sikkelcelanemie verschilt significant van de normale bloedstroom, door veranderingen in de fysieke kenmerken van de rode bloedcellen. Vaak worden bij sikkelcelanemie ook chronische complicaties gezien, zoals inflammatie van de endotheelcellen die de wand bekleden van de bloedvaten. De onderliggende reden van deze associatie is echter nog niet duidelijk. In een poging om dit op te helderen, zetten onderzoekers dr. Xiao Zhang en collega’s een zogenaamde supercomputer in om de bloedstroom bij sikkelcelanemie na te bootsten en nader te kunnen onderzoeken. Deze supercomputer, genaamd ‘Comet’, staat in het San Diego Supercomputer Center in de Verenigde Staten en kan door een enorme rekenkracht sterk gedetailleerde simulaties maken van bijvoorbeeld lichaamsprocessen als een bloedstroom.

SIMULATIE SIKKELCELLEN

Met behulp van de Comet werden gedetailleerde simulaties uitgevoerd met een modelbloedstroom van sikkelcelpatiënten, met hierin een binaire suspensie van zowel flexibele, biconcave, schijfvormige en met vloeistofgevulde capsules, als stijve, gebogen en uitgerekte capsules. Deze representeerden respectievelijk gezonde rode bloedcellen en sikkelcellen. Deze capsules werden vervolgens onderworpen aan een drukgedreven stroom in een vlakke gleuf. Hiermee werd bekeken hoe de normale bloedcellen en de sikkelcellen zich bewogen in een nagebootste ader.

De verschillende rode bloedcellen die zijn gesimuleerd met de supercomputer. Bovenaan: gezonde rode bloedcel, rechtsonder: stijve, gebogen rode bloedcel, linksonder: stijve, rechte rode bloedcel. Bron: https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.053101

ANDER BEWEGINGSPATROON SIKKELCELLEN

De belangrijkste bevinding van de onderzoeksgroep was het verschil in de manier waarop de rode bloedcellen zich voortbewogen door de kanalen. De gezonde bloedcellen bewogen voornamelijk in het middelste centrum van het kanaal, waarbij er vlak naast de wanden een laag vrij van bloedcellen was. De sikkelcellen daarentegen bleven juist veelal rond deze wanden hangen, en stapelden zich hier op. De sikkelcellen maakten een rollende beweging langs deze wanden en bewogen zich op een rigide manier voort, in tegenstelling tot de gezonde rode bloedcellen die soepel door de kanalen heen bewogen.

De onderzoekers bekeken ook een alternatieve versie van een sikkelcel waarbij de cel wel stijf was, maar niet gebogen. Hierbij bleek dat de buiging van de cel slechts een kleine rol speelt in de bewegingswijze van de sikkelcellen. Ook deze alternatieve vorm bewoog zich namelijk op een vergelijkbare manier voort. Het verschil tussen een stijve of flexibele rode bloedcel bleek het belangrijkste te zijn voor de mate van accumulatie langs de wanden.

Bewegingswijze van de binaire suspensie met gezonde rode bloedcellen (rood weergegeven) en stijve rode bloedcellen (blauw weergegeven). De stijve bloedcellen accumuleren meer aan de buitenzijde van de kanalen, waar de gezonde bloedcellen zich voornamelijk in het centrum van de stroom bevinden. (A) Zicht van de zijkant. (B) Zicht van voren. Bron: https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.053101

DRUK OP WANDEN

Vervolgens werd ook de druk op de wanden bepaald. Hierbij bleek dat de aanwezigheid van gezonde rode bloedcellen zorgde voor kleine fluctaties in de druk op de wanden. De aanwezigheid van opeengehoopte stijve bloedcellen zorgde juist voor grote lokale pieken in druk op de wanden. Dit effect was groter bij rechte, stijve rode bloedcellen vergeleken met gebogen, stijve rode bloedcellen.

Endotheelcellen staan er om bekend dat ze aan mechanotransductie doen, van fysieke druk naar fysiologische processen zoals activatie van inflammatoire signalen. Dit zou mogelijk het onderliggende mechanisme kunnen zijn die de associatie tussen sikkelcelanemie en inflammatie van de endotheliale cellen veroorzaakt.

Referentie

Zhang X, Caruso C, Lam WA, et al. Flow-induced segregation and dynamics of red blood cells in sickle cell disease. Physical review fluids 2020;5:053101.

Lees meer over sikkelcelanemie op NTVH.nl: