Ghost Cells

 

Hintergrund

Künstliche Herz-Kreislauf-Unterstützungssysteme, wie zum Beispiel Blutpumpen oder Herzklappen, finden vielfältigen Einsatz in der Therapie unterschiedlicher kardiovaskulärer Krankheiten. Trotz immerwährendem Fortschritt in der Entwicklung ist die Anwendung häufig mit schwerwiegenden Komplikationen, wie zum Beispiel der vermehrten Zerstörung von roten Blutkörperchen, der Hämolyse, verbunden.

Während der Hämolyse tritt der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin, ins Blutplasma aus. Das Hämoglobin ist jedoch für den lebenswichtigen Sauerstofftransport notwendig. Daher ist ein Kernziel der Entwicklung blutführender Medizinprodukte die Minimierung der Hämolyse.

Zur Untersuchung der Strömung in blutführenden Medizinprodukten werden Methoden der optischen Strömungsanalyse, wie zum Beispiel die Particle Image Velocimetry (PIV) mit einer Blutersatzflüssigkeit angewendet.

Bei normgerechten In-vitro-Versuchen wird Blut als Testmedium verwendet. Diese Versuche lassen keine Rückschlüsse auf den genauen Entstehungsort der Hämolyse zu und es kann nur die Blutschädigung des Gesamtsystems quantifiziert werden. Wiederrum kann durch PIV-Messungen die Strömung ortsaufgelöst untersucht werden, allerdings nicht mit Blut. Das dabei verwendete PIV-Fluid entspricht jedoch in vielerlei Hinsicht nicht den Charakteristika von Blut.

Mit Hilfe von sogenannten Ghostcells lassen sich diese beiden Aspekte kombinieren. Ghostcells sind Erythrozyten, denen das Hämoglobin teilweise entzogen wurde. Die Form und Größe der Ghostcells ist vergleichbar zu den ursprünglichen Erythrozyten, allerdings sind die Ghostcells optisch deutlich transparenter.

  Urheberrecht: © AME Abbildung 1: Mikroskop Bild von Erythrozyten und Ghost Cells

Methodik

Zur Herstellung von Ghostcells, werden porzine Erythrozyten vom Schlachthof in einer stark hypotonen Pufferlösung durch osmotischen Druck zur kontrollierten Lyse gebracht. Die Membran wird dabei permeabel für Ionen und größere Moleküle wie Hämoglobin, welche in das umgebende Fluid diffundieren. Die Struktur der Membran bleibt während des Prozesses intakt. Nach der Lyse wird die Membran verschlossen und die ursprüngliche Membran-Impermeabilität wiederhergestellt. Ghostcells besitzen die gleiche Form und Größe wie normale Erythrozyten, sind aber durch den niedrigeren Hämoglobingehalt transparenter für das sichtbare Licht. Abbildung 1 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Ghostcells unter Phasenkontrast.

Neben der Möglichkeit optische Messungen an einer blutanalogen Ghostcell Suspension durchzuführen gibt es auch die Möglichkeit, die Ghostcells während der kontrollierten Lyse zu beladen. Damit ist zum Beispiel erstmals die Sichtbarmachung und räumliche Messung von Hämolyse möglich.

  Urheberrecht: © AME Abbildung 2: Prozessdarstellung eines Erythrozyten über die kontrollierte Lyse zum beladenen Ghostcell   Urheberrecht: © CVEAME Abbildung 3: Fluorescent Hemolysis Detection (FHD), extrazellulärer Fluoreszenz Calcium Indikator rea-giert mit intrazellulärem Calcium

Ghostcells werden dazu mit einem Calcium dicitrato Komplex beladen, siehe Abbildung 2. Außerhalb der Zellen wird ein sensitiver Fluoreszenz Calcium Indikator im Trägerfluid gelöst. Zunächst sind Indikator und Calcium durch die intakte Membran der Ghostcells getrennt. Bei einer, zum Beispiel mechanisch induzierten, Hämolyse der Zelle kommen Indikator und Calcium in Kontakt und emittieren, durch eine externe Lichtquelle angeregt, ein Fluoreszenz-Signal, welches von einer Kamera aufgezeichnet wird, siehe Abbildung 3.

Projekte

Das Funktionsprinzip der neuartigen räumlich aufgelösten Hämolysedetektion konnte bereits bei einer Messung in einem Kanal mit 9,5 mm Durchmesser bei einem Hämatokritwert von 44 % nachgewiesen werden. Ein aktuelles Problem bei der Verwendung von Ghostcells als blutanaloges Fluid liegt noch in der aufwendigen Herstellung, die nur ein geringes Volumen an Ghostcells hervorbringt. Dieses Volumen ist zu gering, als dass eine Ghostcell Suspension standardmäßig bei In-vitro-Tests als blutanaloges Fluid verwendet werden kann.

Ein Kernziel des Projektes ist deshalb, Ghostcells in reproduzierbarer Qualität halbautomatisiert in großen Mengen herstellen zu können, um die ortsaufgelöste Hämolysedetektion mittels PIV in blutführenden Medizinprodukten zu ermöglichen.

 

Förderer	Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Förderkennzeichen STE 1680/12-1.