Turbulenter als gedacht

Ungleichmäßiger Blutstrom fördert die Entwicklung von Arteriosklerose

Können wir tatsächlich davon ausgehen, dass unser Herz das Blut so langsam durch unsere Arterien pumpt, dass ein gleichmäßiger, turbulenzfreier Blutstrom entsteht? In der soeben im „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS)“ erschienenen Veröffentlichung weist ein internationales Forschungsteam nach, dass es in unseren Blutbahnen oft turbulenter zugeht als es für den menschlichen Körper von Vorteil wäre. Unregelmäßigkeiten im Blutstrom fördern nachweislich Entzündungen und Funktionsstörungen der inneren Schicht der Blutgefäße, dem Endothel. Entzündungen in der Endothelzellschicht können wiederum zur Entwicklung von Arteriosklerose führen, der Zivilisationskrankheit, die als weltweit häufigste Todesursache gilt. Eingereicht wurde die Forschungsarbeit von Duo Xu, der seit vier Jahren am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen Strömungen erforscht.

„Pulsierende Strömungen durch Rohrgeometrien sind bei moderaten Geschwindigkeiten laminar.“ So beginnt die Zusammenfassung der wissenschaftlichen Arbeit, die nun in einem der weltweit renommiertesten Wissenschaftsjournale erschienen ist. Gemeint ist damit, dass in einer Flüssigkeit keine Verwirbelungen entstehen, wenn sie ausreichend langsam durch ein Rohr gepumpt wird. Generell sind pulsierende Strömungen zwar turbulenzanfälliger als stetig fließende Strömungen, dennoch ist man bislang davon ausgegangen, dass aufgrund der geringen Geschwindigkeit und der hohen Zähigkeit (Viskosität) des Blutes im menschlichen Kreislaufsystem keine Turbulenzen entstehen. Duo Xu hingegen hat nun nachgewiesen, dass ein turbulenzfreies Strömungsverhalten nur im Idealzustand immer erreicht wird. Die zentrale Erkenntnis des Forschungsteams ist, dass pulsierende Strömungen sehr empfindlich auf geometrische Störungen reagieren und dadurch schon bei einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit turbulent werden, als es bei einem nicht-pulsierenden, konstanten Massestrom der Fall wäre. Übertragen auf den menschlichen Blutstrom heißt das, dass Verwirbelungen viel häufiger auftreten als anhand der klassischen Strömungsmechanik-Theorie zu erwarten wäre, da in menschlichen Blutbahnen häufig Krümmungen, Unebenheiten oder auch Verengungen – z.B. durch arteriosklerotische Läsionen („Arterienverkalkung“) – vorkommen.

Der experimentelle Nachweis

Das Forschungsteam hat sowohl theoretisch, anhand von Simulationen, als auch experimentell nachgewiesen, dass Blutbahnen mit geometrischen Unregelmäßigkeiten Turbulenzen auslösen. In den Experimenten ist deutlich sichtbar, wie in der Phase, in der sich der pulsierende Blutstrom verlangsamt, an diesen kritischen Bereichen Verwirbelungen entstehen, die sich rasch zu einer Turbulenz ausweiten. Erst durch die erneute Beschleunigung mit dem nächsten Herzschlag beruhigt sich die Strömung wieder: sie wird laminar. Das bedeutet, dass in nicht ideal geformten Blutgefäßen in jedem einzelnen Pulszyklus eine Störung des Blutstroms auftreten kann.

Warum sind Turbulenzen gesundheitsgefährdend?

Die Innenwand der Blutgefäße, das Endothel, reagiert sehr sensibel auf Scherspannungen. Scherspannung bezeichnet in diesem Fall die Reibung, die durch den Blutdurchfluss an der Innenseite der Blutgefäße entsteht. Im Normalfall sind die Endothelzellen auf einen gleichmäßigen Durchfluss in eine Richtung eingestellt. Wenn nun in jedem Pulszyklus eine Turbulenz mit entsprechenden Scherspannungsschwankungen und einer Strömungsumkehr auftritt, kann das zelluläre Dysfunktionen auslösen, die zu einer Entzündung des Endothels und langfristig zu Arteriosklerose führen können. Für Menschen mit kardiovaskulären Vorerkrankungen bedeutet das Forschungsergebnis, dass sie durch das Auftreten von Turbulenzen an bestehenden Unebenheiten oder Verengungen in den Blutgefäßen einem erhöhten Risiko zur Entstehung oder Fortschreitung von Arteriosklerose ausgesetzt sind. Doch auch bei gesunden Menschen können Turbulenzen auftreten, was uns eindrücklich die hohe Komplexität und Sensibilität unseres Blutkreislaufsystems verdeutlicht - und auch, dass die Forschung hier noch nicht abgeschlossen ist.

Die Forschung wurde von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des „Institute of Science and Technology Austria“, dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, und dem „Center for Applied Mathematics“ der Tianjin University durchgeführt. Die Experimente wurden am „Institute of Science and Technology Austria“ unter Björn Hof durchgeführt, die Simulationen in der Forschungsgruppe von Marc Avila im ZARM (im Rahmen der DFG-geförderten Forschungsgruppe FOR 2688).

Link zur Veröffentlichung bei PNAS:  www.pnas.org/content/early/2020/05/08/1913716117

Ansprechpartner für inhaltliche Fragen:

Dr. Duo Xu

ZARM, Universität Bremen
Arbeitsgruppe Strömungsmechanik
duo.xu[at]zarm.uni-bremen.de

Prof. Dr. Marc Avila
ZARM, Universität Bremen
Institutsleiter
marc.avila[at]zarm.uni-bremen.de

Ansprechpartnerin für Presseanfragen:

Birgit Kinkeldey
birgit.kinkeldey[at]zarm.uni-bremen.de
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