Physical characterization of red blood cell aggregation

Abstract

In this work, five aspects of the red blood cell aggregation induced by macromolecules are investigated. A rheological approach focused on the normalization of viscosity as a function of the macromolecular adsorption rates using a commercial rheometer is proposed. Derived from that approach, the yield stress of aggregating red blood cell suspensions is investigated. The sedimentation rates of the utilized biological system are then studied. Microscopical investigations, including measurements of the microscopical aggregation index, lead to the conclusion that the C-reactive protein, a plasma protein, does not influence the aggregation behavior of red blood cells. Detailed microscopical studies on the morphology of the interaction zones of aggregated red blood cells show that these strongly depend on the macromolecular concentration in good agreement with numerical simulations that allow to derive an approximation of the interaction energies. The latter are also directly measured with single cell force spectroscopy using an atomic force microscope with the additional result that the viscosity of the surrounding medium can influence the results significantly. Finally, the physical origin of aggregation is discussed and supported by several additional measurements. This allows to combine two existing theories and explain the bell-shape of interaction energy versus macromolecular concentration curve in a new way.

In dieser Arbeit werden fünf Aspekte der makromolekül-induzierten Aggregation roter Blutzellen untersucht. Ein rheologischer Ansatz unter Verwendung eines kommerziellen Rheometers behinhaltet die Viskositätsnormierung als Funktion der Adsorptionsraten von Makromolekülen. Hiervon abgeleitet werden die Fließspannung von Suspensionen aggregierter roter Blutzellen untersucht. Außerdem werden die Sedimentationsraten des verwendeten biologischen Systems analysiert. Mikroskopische Untersuchungen, einschließlich des mikroskopischen Aggregationsindexes, führen zu dem Schluss, dass das C-reaktive Protein (ein Plasmaprotein) die Aggregationseigenschaften roter Blutzellen nicht beeinflusst. Detaillierte mikroskopische Studien der Morphologie von Interaktionszonen aggregierter roter Blutzellen zeigen eine starke Abhängigkeit von der molekularen Konzentration, was gut mit numerischen Simulationen, die eine Annäherung an die Interaktionsenergien zulassen, übereinstimmt. Letztere wurden direkt mit Einzelzellkraftmikroskopie unter Verwendung eines Atomkraftmikroskops gemessen, was zu dem Resultat führt, dass die Viskosität des umgebenden Mediums einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse haben kann. Am Ende wird der physikalische Ursprung der Aggregation diskutiert und durch verschiedenen Messungen ergänzt. Dies erlaubt es, beide existierenden Theorien zu vereinen und die Glockenkurve der Interaktionsenergie als Funktion der Makromolekülkonzentration auf eine neue Weise zu erklären.