Forscher lösen Rätsel um „Blutzellen-Streifen“ beim Zentrifugieren und zeigen, wie Muster entstehen

Sie konnten nachweisen, dass die Blutzellen-Streifen viel mehr durch ihre eigene Anziehungskraft und Anhaftung an ihren Nachbarzellen entstehen. Ihre Arbeit wurde im renommierten Fachjournal PNAS veröffentlicht. 

Muster sind in der Natur allgegenwärtig. Vögel und Fische fliegen und schwimmen auf wundersame Weise in riesigen Schwärmen, Fingerabdrücke bilden einzigartige Muster, ebenso Zebras, die individuell an ihrem Streifenmuster unterschieden werden können. Doch nach welchen Gesetzen bilden sich solche Muster?

Bei der Antwort auf diese Fragen können rote Blutkörperchen helfen. Ähnlich wie Zebrastreifen auf dem Fell der Unpaarhufer bilden Blutzellen, wenn sie in einer Zentrifuge voneinander getrennt werden, charakteristische Muster. Von oben nach unten betrachtet wechseln sich satt-rote Streifen, in denen sich viele Blutzellen ansammeln, mit weißen Streifen ab. In diesen Bereichen sind weniger rote Blutkörperchen zu finden. Darauf folgt wieder eine leuchtend rote Ansammlung von roten Blutzellen, gefolgt von einem Streifen mit weniger Zellen und so weiter. „Jüngere Blutzellen, die erst entstanden sind, enthalten mehr Wasser, ältere Blutzellen weniger Wasser. Die älteren Blutzellen haben daher eine höhere Dichte, da das in ihnen verbleibende Hämoglobin schwerer als Wasser ist. Somit setzen sich ältere Zellen beim Zentrifugieren unten ab, jüngere sammeln sich aufgrund ihrer geringeren Dichte am oberen Rand des Röhrchens“, erklärt Christian Wagner eine bisher verbreitete Annahme, warum dies so ist.

Der Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes erklärt das gängige Missverständnis, dem Forscherinnen und Forscher aus aller Welt bislang aufgesessen waren: „Man ist bislang davon ausgegangen, dass die Blutzellen im Laufe ihres rund 120 Tage dauernden Lebens das Wasser unregelmäßig verlieren.“ So entstünden quasi „Kohorten“ von Blutzellen jüngeren (viel Wasser), mittleren (weniger Wasser) und höheren Alters (am wenigsten Wasser), die sich alle gemäß ihrer jeweiligen Dichte in ähnlichen Regionen der zentrifugierten Lösung ballen, so dass am Ende die typischen Streifenmuster zu sehen sind.

„Verantwortlich dafür ist aber nicht der Wasserverlust, sondern die Aggregation der Zellen untereinander“, sagt Doktorand Felix Maurer, der die Studie maßgeblich mit seinem Co-Betreuer Alexis Darras,  Dozent an der Universität Bristol, verantwortet. Die beiden jungen Wissenschaftler haben in Experimenten rote Blutzellen in ein Medium aus Wasser, Salzen und Nanopartikeln gemischt und zentrifugiert. „Wie Wetterballons in der Erdatmosphäre, die nach oben immer dünner wird, verteilen sich rote Blutzellen so, dass jede Zelle in einer Gleichgewichtshöhe schweben bleibt. Das ist die Höhe, in der die mittlere Dichte der Zelle gleich der Dichte der Umgebung ist“, erklärt der junge Wissenschaftler.

Dabei haben sie eine bemerkenswerte Erkenntnis gewonnen: Es ist die schiere Zahl der Zellen, die zur Streifenbildung führt. „Das Streifenmuster entsteht erst durch das Zusammenspiel sehr vieler Zellen. Im Experiment waren es rund eine Milliarde in einem Röhrchen“, so Felix Maurer. Nachdem sie die Zahl der Zellen reduziert haben, konnten die Physiker ein gänzlich anderes Verhalten beobachten: „Ohne Aggregation, also Zusammenkleben von Zellen miteinander, verteilen sich die Zellen überall gleichmäßig, es entstehen keine Streifen“, erläutert Felix Maurer.

Es ist also die Wechselwirkung aus Aggregation, der Ansammlung vieler Zellen auf engem Raum, und entgegengesetzter Gravitation, welche die Blutzellen dazu bringt, das typische Streifenmuster zu bilden. Diese fundamentalen Erkenntnisse könnten zum Beispiel eine wichtige Grundlage dafür sein, neue diagnostische Ansätze bei Erkrankungen des Blutes wie zum Beispiel einer Sichelzellenanämie zu entwickeln, in deren Verlauf sich Blutzellen verformen und sich ihr Strömungs- und Ballungsverhalten dementsprechend ändert. „Bei der Sichelzellenanämie zum Beispiel ergibt sich ein verändertes Streifenmuster, wie eine Studie aus dem Jahr 2021 gezeigt hat. Bisher konnte man aber nicht erklären, wieso das so war“, so Felix Maurer.

Eine zweiter fundamentaler Aspekt, den die Studie beleuchtet, ist die Frage, wie in der Natur überhaupt Muster und Strukturen entstehen. Hierfür haben Felix Maurer, Alexis Darras und ihre Kolleginnen und Kollegen ein mathematisches Modell auf Basis der sogenannten Dynamischen Dichtefunktionaltheorie aus ihren Beobachtungen im Labor abgeleitet, das solche Musterentstehungen erklären kann. „Eine ähnliche Gleichung, wie wir sie nun in unserer Studie entwickelt haben, beschreibt auch die Muster von Zebrastreifen, Vogelschwärmen und Fingerabdrücken“, so Christian Wagner. Felix Maurer erklärt, was es damit auf sich hat: „In unserem Fall führt eine kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen einzelnen Zellen dazu, dass sich eine bevorzugte makroskopische Streifenbreite und ein bevorzugter Streifenabstand herausbilden. Auch Vogelschwärme zeigen kollektives Verhalten. Dort entstehen die Formationen aus einfachen Nachbarschaftsregeln zwischen Individuen. Eine ähnliche Idee gibt es auch bei der Entstehung von Fingerabdrücken.“

So führt die spezifische Beobachtung von Blutzellen im Labor dazu, dass fundamentale Regeln der Natur besser verstanden werden können.

Originalpublikation:
F. Maurer, C. Romero, N. Lerch, T. John, L. Kaestner, C. Wagner, & A. Darras, Band pattern formation of erythrocytes in density gradients is due to competing aggregation and net buoyancy, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (51) e2515704122, https://doi.org/10.1073/pnas.2515704122 (2025).

Weitere Informationen:
Felix Maurer
E-Mail: felixmilan.maurer(at)uni-saarland.de 

Prof. Dr. Christian Wagner
Tel.: (0681) 3024676
E-Mail: christian.wagner(at)uni-saarland.de