Development of experimental and numerical models of platelet deposition
Medical Physics, Biomedical Technology
Final Report Abstract
Krankheiten des Kreislaufsystems sind die führende Todesursache in Deutschland. Häufig führen diese Krankheiten zu Blutgerinnseln, sogenannten Thromben. Der Beginn eines solchen Thrombus ist die Anlagerung von Blutplättchen an die Blutgefäße oder an körperfremden Einbauten in den menschlichen Körper, z.B. Herzklappen oder Blutpumpen. Damit diese Plättchenanlagerung besser verstanden wird, wurden Anlagerungsexperimente mit Blut durchgeführt. Diese Untersuchung erfolgte auf der Basis der sogenannten Virchow‘schen Trias. Nach Virchow bestimmen die drei Parameter Bluteigenschaft, Wandeigenschaft und Strömung die Bildung eines Blutgerinnsels, die mit der Anlagerung von Plättchen ihren Anfang hat. Die experimentellen Modelle sind so gewählt worden, dass Bluteigenschaft, Wandeigenschaft und Strömung getrennt untersucht und im Hinblick auf ihr Blutgerinnsel förderndes Potential geprüft werden können. Bei den experimentellen Modellen werden die Bewegung und die Anlagerung von Plättchen aus humanem Vollblut fluoreszenzmikroskopisch erfasst. Es entstehen Bildserien, die mit den Methoden der Bildverarbeitung ausgewertet werden. Diese Versuche mit Blut erfolgten an zwei Modellen, der ebenen Couette-Strömung – einer Parallelströmung über eine Platte – und der Staupunktströmung – einer Strahlströmung gegen eine Wand. Die Ergebnisse bestätigen die Virchow’sche Trias: Es ist möglich, den Einfluss der drei Einflussgrößen zu bestimmen. Mit den Ergebnissen der Anlagerungsversuche konnte ein quantitatives numerisches Modell entwickelt werden. Dieses numerische Modell simuliert die Transportvorgänge, die die Plättchen an die künstliche Oberfläche herantragen, mit der sie reagieren können. Das Modell basiert auf einem numerisch ermittelten Geschwindigkeitsfeld, dem die Diffusionsbewegung der Plättchen überlagert wird. Die Reaktion des Plättchens mit der Wand – die Anlagerung – wird als zufälliger Prozess verstanden, der auf einzelnen Wahrscheinlichkeiten basiert, die miteinander multipliziert die Anlagerungswahrscheinlichkeit ergeben. Letztere treten an die Stelle der sonst angewandten Reaktionsrate. Die Anlagerungswahrscheinlichkeit ist eine messbare Größe und kann abhängig von Plättchenaktivierung (einer wichtigen Bluteigenschaft), Wandeigenschaft und Strömung experimentell bestimmt werden. Dieses Modell ist aber noch nicht allgemein übertragbar, was durch weitere Versuche erreicht werden soll. Ein möglichst allgemein gültiges numerisches Modell der Plättchenanlagerung soll in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen in eine Software integriert werden. Damit ist es dann möglich, das Blutgerinnselrisiko für eine bestimmte Kombination aus Blut-, Wand- und Strömungseigenschaften vorherzusagen. Insbesondere durch die Kenntnis des Strömungseinflusses können auch die eingangs erwähnten Implantate verbessert werden, indem das Blutgerinnselrisiko reduziert wird.
Publications
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Role of flow for the deposition of platelets. Biointerphases 11, 029804 (2016)
Klaus Affeld, Jens Schaller, Thies Wölken, Thomas Krabatsch, and Ulrich Kertzscher
