De kracht van bloed

Stromend bloed oefent wrijving en druk uit op bloedvaten. Die spanningen, denkt men, hebben invloed op onder meer aderverkalking, de aanleg van bloedvaten en op de vorming van het embryonale hart. Naast de genetische invloed is er waarschijnlijk ook een biomechanische. Misschien bepaalt de kracht van het bloed wel welke genen er meer of minder actief worden. Dat is een interessante gedachte, die je alleen kunt bewijzen als je naast de genetische activiteit ook een precies beeld hebt van de krachten op de vaatwand. En dat was waar prof.dr. Rob Poelmann van het Leids Universitair Medisch Centrum naar op zoek was. Hij bestudeert de raadselachtige vorming van het embryonale kuikenhart van een vat, via een gedraaide lus met twee insnoeringen naar een volwaardig hartje. Embryologen willen weten welke rol de kracht de bloedstroming daarbij speelt.

De door prof.dr.ir Jerry Westerweel (vloeistofmechanica bij Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) ontwikkelde optische stromingsmeting Particle Image Velocimetry leek geschikt, maar moest nog wel geschikt gemaakt worden voor in vivo meting aan een levend kippenembryo van enkele dagen oud. Dat werd de opdracht aan de Duitse ingenieur Peter Vennemann, die bij Westerweel promotieonderzoek kwam doen. Vennemann was op zoek naar een multidisciplinair onderwerp en de samenwerking met de medische faculteiten in Leiden en Rotterdam sprak hem aan.

“Hij heeft een unieke prestatie geleverd,” zegt Westerweel nu. “Veel mensen bestuderen de bloeddoorstoming, maar dat gebeurt allemaal in laboratoriumopstellingen. Het is nog niemand gelukt om dat in een levend embryo te doen. Maar Peter wel.” In 2006 publiceerde Vennemann zijn resultaten in het Journal of Biomechanics.

Particle Image Velocimetry (PIV) berekent de snelheid van vloeistof- of luchtstromen uit de beweging van deeltjes in de stroom, die vastgelegd wordt in een reeks van opeenvolgende beelden. Maar bij toepassing ervan op het kippenhart komen er tal van extra problemen bij: het hart staat niet stil, het meet slechts enkele tienden van millimeters, de vloeistofstroom pulseert en het ei moet goed op temperatuur gehouden worden. Bovendien moesten er fluorescerende bolletjes aan het bloed worden toegevoegd om de stroming zichtbaar te maken, maar die moesten voor het immuunsysteem onzichtbaar blijven, omdat anders een afweerreactie de normale ontwikkeling zou verstoren.

De meetopstelling bestond uiteindelijk uit een microscoop met daaronder een opengewerkt ei in een warmhouder. Een groene laser schiet tien maal per seconde een dubbele laserpuls in het ei met een halve milliseconde tussentijd. Het beeldvlak waar het hartje in ligt, meet ongeveer 0,4 bij 0,5 millimeter. Een aangekoppelde videocamera registreert het weerkaatste licht van de circa 2.000 fluorescerende bolletjes in de stroom.

Dat levert weliswaar mooie plaatjes op van de stroming (een wolk van kleine pijltjes die aan een spreeuwenzwerm doet denken), maar nog geen informatie over de wrijvingskrachten (de afschuifspanning) van het bloed langs de wand. Daarvoor is een ruimtelijk beeld van de volledige stroming nodig. Vennemann stelde dat uit veertien meetlagen samen voor een ruimte van 0,2 mm dik. De snelheid loodrecht op het meetvlak is niet direct te meten, maar wel af te leiden uit de snelheden in het meetvlak. Zo kon de promovendus voor een ronde doorsnede van het bloedvat op iedere plek berekenen hoe groot de wrijving met het bloed was. En dat leverde een verrassend inzicht op: de grootste wrijving vindt plaats in de binnenbocht.

“Bij een rivier is de wrijving aan de buitenbocht het grootst,” zegt Westerweel. “Dat kan iedere schipper je vertellen. Maar hier zie je dat de wrijving juist in de binnenbocht van het vat het grootst is. Dat komt doordat vloeistoffen zich op microscopische schaal anders gedragen dan wij intuïtief denken.”

Peter Vennemann promoveert maandag 21 april op zijn proefschrift ‘Particle Image Velocimetry for Microscale Blood Flow Measurements’

Stromend bloed oefent wrijving en druk uit op bloedvaten. Die spanningen, denkt men, hebben invloed op onder meer aderverkalking, de aanleg van bloedvaten en op de vorming van het embryonale hart. Naast de genetische invloed is er waarschijnlijk ook een biomechanische. Misschien bepaalt de kracht van het bloed wel welke genen er meer of minder actief worden. Dat is een interessante gedachte, die je alleen kunt bewijzen als je naast de genetische activiteit ook een precies beeld hebt van de krachten op de vaatwand. En dat was waar prof.dr. Rob Poelmann van het Leids Universitair Medisch Centrum naar op zoek was. Hij bestudeert de raadselachtige vorming van het embryonale kuikenhart van een vat, via een gedraaide lus met twee insnoeringen naar een volwaardig hartje. Embryologen willen weten welke rol de kracht de bloedstroming daarbij speelt.

De door prof.dr.ir Jerry Westerweel (vloeistofmechanica bij Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) ontwikkelde optische stromingsmeting Particle Image Velocimetry leek geschikt, maar moest nog wel geschikt gemaakt worden voor in vivo meting aan een levend kippenembryo van enkele dagen oud. Dat werd de opdracht aan de Duitse ingenieur Peter Vennemann, die bij Westerweel promotieonderzoek kwam doen. Vennemann was op zoek naar een multidisciplinair onderwerp en de samenwerking met de medische faculteiten in Leiden en Rotterdam sprak hem aan.

“Hij heeft een unieke prestatie geleverd,” zegt Westerweel nu. “Veel mensen bestuderen de bloeddoorstoming, maar dat gebeurt allemaal in laboratoriumopstellingen. Het is nog niemand gelukt om dat in een levend embryo te doen. Maar Peter wel.” In 2006 publiceerde Vennemann zijn resultaten in het Journal of Biomechanics.

Particle Image Velocimetry (PIV) berekent de snelheid van vloeistof- of luchtstromen uit de beweging van deeltjes in de stroom, die vastgelegd wordt in een reeks van opeenvolgende beelden. Maar bij toepassing ervan op het kippenhart komen er tal van extra problemen bij: het hart staat niet stil, het meet slechts enkele tienden van millimeters, de vloeistofstroom pulseert en het ei moet goed op temperatuur gehouden worden. Bovendien moesten er fluorescerende bolletjes aan het bloed worden toegevoegd om de stroming zichtbaar te maken, maar die moesten voor het immuunsysteem onzichtbaar blijven, omdat anders een afweerreactie de normale ontwikkeling zou verstoren.

De meetopstelling bestond uiteindelijk uit een microscoop met daaronder een opengewerkt ei in een warmhouder. Een groene laser schiet tien maal per seconde een dubbele laserpuls in het ei met een halve milliseconde tussentijd. Het beeldvlak waar het hartje in ligt, meet ongeveer 0,4 bij 0,5 millimeter. Een aangekoppelde videocamera registreert het weerkaatste licht van de circa 2.000 fluorescerende bolletjes in de stroom.

Dat levert weliswaar mooie plaatjes op van de stroming (een wolk van kleine pijltjes die aan een spreeuwenzwerm doet denken), maar nog geen informatie over de wrijvingskrachten (de afschuifspanning) van het bloed langs de wand. Daarvoor is een ruimtelijk beeld van de volledige stroming nodig. Vennemann stelde dat uit veertien meetlagen samen voor een ruimte van 0,2 mm dik. De snelheid loodrecht op het meetvlak is niet direct te meten, maar wel af te leiden uit de snelheden in het meetvlak. Zo kon de promovendus voor een ronde doorsnede van het bloedvat op iedere plek berekenen hoe groot de wrijving met het bloed was. En dat leverde een verrassend inzicht op: de grootste wrijving vindt plaats in de binnenbocht.

“Bij een rivier is de wrijving aan de buitenbocht het grootst,” zegt Westerweel. “Dat kan iedere schipper je vertellen. Maar hier zie je dat de wrijving juist in de binnenbocht van het vat het grootst is. Dat komt doordat vloeistoffen zich op microscopische schaal anders gedragen dan wij intuïtief denken.”

Peter Vennemann promoveert maandag 21 april op zijn proefschrift ‘Particle Image Velocimetry for Microscale Blood Flow Measurements’