Shapes and Dynamics of Blood Cells in Poiseuille and Shear Flows

The dynamics, shape, deformation, and orientation of red blood cells in microcirculation affect the rheology, flow resistance and transport properties of whole blood. This leads to important correlations of cellular and continuum scales. Furthermore, the dynamics of RBCs subject to different flow conditions and vessel geometries is relevant for both fundamental research and biomedical applications (e.g drug delivery). In this thesis, the behaviour of RBCs is investigated for different flow conditions via computer simulations. We use a combination of two mesoscopic particle-based simulation techniques, dissipative particle dynamics and smoothed dissipative particle dynamics. We focus on the microcapillary scale of several μm. At this scale, blood cannot be considered at the continuum but has to be studied at the cellular level. The connection between cellular motion and overall blood rheology will be investigated. Red blood cells are modelled as viscoelastic objects interacting hydrodynamically with a viscous fluid environment. The properties of the membrane, such as resistance against bending or shearing, are set to correspond to experimental values. Furthermore, thermal fluctuations are considered via random forces. Analyses corresponding to light scattering measurements are performed in order to compare to experiments and suggest for which situations this method is suitable. Static light scattering by red blood cells characterises their shape and allows comparison to objects such as spheres or cylinders, whose scattering signals have analytical solutions, in contrast to those of red blood cells. Dynamic light scattering by red blood cells is studied concerning its suitability to detect and analyse motion, deformation and membrane fluctuations. Dynamic light scattering analysis is performed for both diffusing and flowing cells. We find that scattering signals depend on various cell properties, thus allowing to distinguish different cells. The scattering of diffusing cells allows to draw conclusions on their bending rigidity via the effective diffusion coefficient. The scattering of flowing cells allows to draw conclusions on the shear rate via the scattering amplitude correlation. In flow, a RBC shows different shapes and dynamic states, depending on conditions such as confinement, physiological/pathological state and cell age. Here, two essential flow conditions are studied: simple shear flow and tube flow. Simple shear flow as a basic flow condition is part of any more complex flow. The velocity profile is linear and shear stress is homogeneous. In simple shear flow, we find a sequence of different cell shapes by increasing the shear rate. With increasing shear rate, we find rolling cells with cup shapes, trilobe shapes and quadrulobe shapes. This agrees with recent experiments. Furthermore, the impact of the initial orientation on the dynamics is studied. To study crowding and collective effects, systems with higher haematocrit are set up. Tube flow is an idealised model for the flow through cylindric microvessels. Without cell, a parabolic flow profile prevails. A single red blood cell is placed into the tube and subject to a Poiseuille profile. In tube flow, we find different cell shapes and dynamics depending on confinement, shear rate and cell properties. For strong confinements and high shear rates, we find parachute-like shapes. Although not perfectly symmetric, they are adjusted to the flow profile and maintain a stationary shape and orientation. For weak confinements and low shear rates, we find tumbling slippers that rotate and moderately change their shape. For weak confinements and high shear rates, we find tank-treading slippers that oscillate in a limited range of inclination angles and strongly change their shape. For the lowest shear rates, we find cells performing a snaking motion. Due to cell properties and resultant deformations, all shapes differ from hitherto descriptions, such as steady tank-treading or symmetric parachutes. We introduce phase diagrams to identify flow regimes for the different shapes and dynamics. Changing cell properties, the regime borders in the phase diagrams change. In both flow types, both the viscosity contrast and the choice of stress-free shape are important. For in vitro experiments, the solvent viscosity has often been higher than the cytosol viscosity, leading to a different pattern of dynamics, such as steady tank-treading. The stress-free state of a RBC, which is the state at zero shear stress, is still controversial, and computer simulations enable direct comparisons of possible candidates in equivalent flow conditions.

Entwicklung von neuen Radiomarkierungsverfahren und deren Anwendung zur Synthese von Radiotracern für die Positronen-Emissions-Tomographie

In den letzten 30 Jahren hat sich die Positronen Emissions Tomographie (PET) zu einem der wichtigsten Instrumente in der klinischen Diagnostik entwickelt. Neben den ständigen technischen Verbesserungen verdankt die PET ihren klinischen Stellenwert vor allem dem ihr inhärenten Potenzial, physiologische und biochemische Prozesse auf molekularer Ebene und in Echtzeit darzustellen. Aufgrund der wachsenden Zahl neuer und krankheitsspezifischer Radiotracer nimmt sie auch auf dem Gebiet der Wirkstoffentwicklung sowie beim Monitoring von pharmakologischen Interventionen eine immer wichtigere Rolle ein. Grundlegend hierfür ist einerseits das intelligente Design innovativer und selektiver molekularer Sonden mit der Fähigkeit zur Visualisierung molekularer Targets, die in physiologischen und pathophysiologischen Prozessen involviert sind und andererseits die Entwicklung der dafür notwendigen fortschrittlichen Markierungsstrategien. Letzteres ist zentraler Bestandteil der radiochemischen Grundlagenforschung und Hauptgegenstand dieser kumulativen Promotionsarbeit, in dessen Rahmen ein neues „minimalistisches“ Protokoll zur Radiofluorierung ausgearbeitet wurde. Die Entwicklung der sog. „minimalistische“ Methode ermöglicht eine vereinfachte und zeitsparende Herstellung von unterschiedlichsten 18F-markierten Verbindungen, da sie weder der azeotropen Trocknung noch des Zusatzes einer Base oder anderer Additive bedarf. Das neue Radiomarkierungsverfahren umfasst eine direkte Elution von 18F- mittels alkoholischer Lösung der Ammonium-, Diaryliodonium- oder Triarylsulfoniumsalz Vorläufern. Nach Entfernung des Alkohols wird das resultierende [18F]Fluoridsalz in einem geeigneten Lösungsmittel erhitzt. Die hohe Effizienz der auf der „minimalistischen“ Methode basierenden Synthese bietet somit auch einen schnellen Zugang zu 18F-markierten Fluorbenzaldehyden ([18F]FBAs) in großen Aktivitätsmengen, was einen entscheidenden Vorteil für die Entwicklung neuer Markierungsmethoden mit Hilfe dieses Radiomarkierungsbausteins darstellt. Darauf aufbauend wurde, ausgehend von [18F]FBA, auf der Basis der Seyferth-Gilbert Homologisierung, ein innovatives Verfahren zur Synthese von bisher unbekannten 18F-markierten Fluorarylacetylenen entwickelt. Hierdurch konnten über Cycloadditions- und Kreuzkupplungsreaktionen unterschiedliche radiomarkierte Modellverbindungen sowie PET-Tracer hergestellt und somit die Vielseitigkeit der neuen radiomarkierten Synthone aufgezeigt werden. Die durch die „minimalistische“ Methode gesteigerte Effizienz der Synthese von [18F]FBA ermöglicht es ebenfalls, den bereits in der Literatur bekannten Markierungsbaustein C-(4-[18F]Fluorphenyl)-N-phenylnitron [18F]FPPN in ausreichenden Mengen zu produzieren und für die zielgerichtete Synthese diverser radiofluorierter -Lactame über die Kinugasa-Reaktion einzusetzen. Mit dem Erhalt der radiofluorierten β-Lactam-Peptid und -Protein-Konjugate in hohen radiochemischen Ausbeuten unter sehr milden Bedingungen, konnte die Eignung der Kinugasa-Reaktion als neues und leistungsstarkes Radiofluorierungsverfahren eindrucksvoll demonstriert werden.