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颠覆液滴模型传统学说，高速录像揭示了人类血流的一大奥秘

DeepTech深科技 · 公众号 · 科技媒体 · 2016-09-08 00:00

正文

红细胞就像是悬浮在血浆中的柔韧双凹圆盘，

它是目前血液的最大组成部分，

在人体血流模式中发挥着非常重要的作用。

通常情况下，红细胞叠合在一起形成类似圆柱形、硬币包的钱串状结构。 这种结构会不断分化和形成以保持血液的流畅性，但也可能缠绕在一起使血液变得粘稠甚至形成凝块。 很容易想见，当血管变窄时，红细胞的这种钱串状结构会引起血管阻塞问题。考虑到最窄的血管仅比红细胞的直径略大一些，问题就更严重了。

但血液学家们早就知道，这个问题不会发生，因为事实证明， 血液的一个特性能阻止这种阻塞——流经窄小血管的血液会变得稀薄和易流动。不过，血液为什么有这个特性？一直以来却是个未解之谜。

近日，法国蒙彼利埃大学的莫诺克·阿布卡瑞安（Manouk Abkarian）和他的同事们宣称破解了这个谜题。通过用高速摄像机记录红细胞在与人体相似环境中的活动证据，他们宣称颠覆了对红细胞在血流中作用的传统认识， 破解了血液为什么不易被红细胞阻塞的谜题。

传统理论

在血液学中，血液流经窄小血管时变稀的特性被称为剪切变稀，这是由剪应力造成的，而剪应力是作用于液体各部分力之间的差异造成的。物理学家通常将这类流动液体称为非牛顿流体。

由于靠近血管壁的血液比血管中间的血液流动得慢，因此剪应力发生在任何血流中。但是， 剪应力如何让血液流动得更快呢？

对这个问题，生物学家早就知道的事实是：血浆是一种牛顿流体，它的粘性不受剪应力的影响。因此， 血液流动的任何非牛顿性质必然是由悬浮在血浆中、占血液45%的红细胞引起的。

早在19世纪70年代，血液学家就开始通过研究悬浮在葡聚糖多糖水溶液中的细胞行为，来进行人体血液学的模拟研究。他们发现，当模拟血流中的剪应力较低时，红细胞在血流中像硬币一样翻转。但随着剪应力的增加，红细胞逐渐适应血流而变得稳定。 实验中，红细胞在流动方向上发生伸长而成为扁椭球状。

这类研究最终导致了一个有影响力的血液流动理论： 红细胞在血液中像液滴那样运动， 也就是说，血液就像乳状液那样流动。 我们可通俗地将这个理论称为红细胞的液滴理论。

液滴理论假设红细胞的细胞膜与液滴表面的特性一致。这样，当红细胞呈扁椭球状时，剪切力就能使它们旋转。由于红细胞内部的细胞质比外部的液体更有粘性，细胞膜旋转得必然比内部的细胞质更快，从而使红细胞的运动从侧面看起来，就像坦克履带的运动一样。由于液滴理论的影响力， 这种所谓的坦克履带式运动，已成为几乎众所周知的小血管内红细胞的运动模式。

阿布卡瑞安和他的同事认为，这种关于红细胞运动的液滴理论是错误的。他们指出，先前实验中使用的葡聚糖多糖水溶液并不能精确模拟人体内环境，红细胞的细胞膜也不能像液滴表面那样运动，因此， 有关红细胞运动的液滴理论是不正确的，坦克履带式运动模式也是不可能的。

为了证明上述结论，他们采用能精确模拟血液粘度、渗透压、pH值的葡聚糖溶液，在体温下，采用高速摄像机记录充满了这种溶液的微通道中红细胞的运动，并通过控制流量，改变红细胞所承受的剪应力。 实验结果表明，当剪应力增加时，模拟血液的溶液粘度发生了一系列显著变化，而这些变化是红细胞运动行为发生复杂变化的结果。

实验开始时，红细胞像硬币那样在溶液中翻滚。剪切应力增加时，翻滚变成滚动，红细胞看起来像失控的轮胎那样。 当溶液中滚动红细胞的比例增加时，溶液的粘度就下降了。 显然，这种滚动不同于基于液滴理论的坦克履带式运动。究其原因，阿布卡瑞安和他的同事说，主要在于红细胞的细胞膜并不能像液滴表面那样运动。

他们说，当剪切力进一步增加时， 红细胞被压扁从而使其暴露在流体中的表面积缩小，这将导致进一步的剪切变稀 。剪切应力再增加，红细胞则被扭曲成三瓣或六瓣形状。究竟如何发生这种变形并不清楚，但这种变形能使红细胞折叠而再次减少其表面积，从而有助于更进一步的剪切变稀。

此外，阿布卡瑞安团队还通过创建红细胞运动的计算机模型，复现了实验中不同剪应力下的红细胞行为，进一步支撑了他们在实验中的观测结果。

阿布卡瑞安团队的实验结果之所以引人关注，是因为它表明， 红细胞的液滴理论是错误的、血液并不能像乳状液那样流动。

当然，仅仅当红细胞膜不变成流体，从而能从红细胞内的细胞质中更有效地分离血浆时，实验中观测到的细胞行为才是可能的。阿布卡瑞安和他的同事认为， 红细胞内外流体间高粘度对比的膜流动性的缺乏，是控制红细胞行为的关键要素 。

阿布卡瑞安团队的新理论具有重要意义。血液学家已习惯于用“血是一种乳状液”的理论来解释各种生理现象。例如，坦克履带式运动模型已成为解释红细胞如何释放ATP（腺苷三磷酸——编者注）理论的关键部分。阿布卡瑞安团队认为， 他们的研究动摇了红细胞动力学的液滴模型，能有效解释这些现象。

血液这类生命流体非常重要，更好地理解它们的运动模式，将有助于科学家们更有效地操控它们。 颠覆液滴模型这种传统学说，无疑将对这一领域产生重大影响。

参考：arxiv.org/abs/1608.03730 A New Look atBlood Shear-Thinning

编辑、视觉设计、运营助理、 实习生（编译）

地点：北京

联系：[email protected]

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