Группа исследователей из Университета Кейс Вестерн Резерв (CWRU) в Кливленде, штат Огайо, разработала универсальную микрофлюидную платформу, интегрированную с алгоритмом определения размеров клеток, для количественной оценки динамической деформируемости и адгезии эритроцитов в контролируемом микрофизиологическом потоке. Точное измерение деформируемости и адгезии эритроцитов, которые являются двумя ключевыми биофизическими факторами вазоокклюзии при ВСС, имеет большой потенциал в качестве маркера для оценки прогрессирования заболевания, понимания патофизиологии заболевания и разработки новых терапевтических средств. Хотя для измерения деформируемости и адгезии эритроцитов использовались различные подходы, такие как атомно-силовая микроскопия и оптический пинцет, ни один из этих методов нельзя было проводить в физиологических условиях с использованием цельной крови клинически значимым способом. Разработанная микрофлюидная система может исследовать деформационные характеристики эритроцитов на уровне отдельных клеток, а также отражать адгезионный ответ микрососудов в образцах цельной крови пациента с SCD.
"Микрожидкостные методы позволяют объединить физиологические условия потока, а также биологически релевантные адгезионные поверхности в закрытом помещении, что лучше имитирует естественную физиологическую среду эритроцитов в кровотоке. Микрожидкостная система, разработанная здесь, имеет потенциал для использования с высокой пропускной способностью со встроенным алгоритмом автоматической обработки изображений для измерения деформируемости и адгезии эритроцитов в крови пациентов." говорит профессор Умут Гуркан, Ph.D., Кейс Вестерн Резервный университет и главный исследователь на бумаге.
Красные кровяные тельца (эритроциты) подвергаются динамическим обратимым деформациям в кровообращении и быстро реагируют на сдвиговые напряжения жидкости с постоянной времени в диапазоне 100 миллисекунд. Однако эритроциты теряют способность динамически деформироваться при таких заболеваниях, как диабет, малярийная инфекция, наследственный сфероцитоз и различные мутации, влияющие на гены глобина, такие как серповидноклеточная анемия (SCD). ВСС – первое известное молекулярное заболевание, которое было идентифицировано как нарушение гемоглобина более шестидесяти лет назад. В основе болезни лежит точечная мутация в 6-й цепи гена гемоглобина, которая приводит к аномальной полимеризации молекул гемоглобина внутри эритроцитов. Образование полимеризованных волокон гемоглобина нарушает морфологию клеток, снижает деформируемость эритроцитов (увеличивает жесткость) и изменяет адгезионные свойства мембран. Аномальная адгезия и снижение деформируемости эритроцитов являются основными причинами окклюзии кровеносных сосудов (вазоокклюзии) при ВСС. Вазоокклюзия является отличительным признаком заболевания и ассоциируется с сильной болью, кризами, обширным поражением органов и ранней смертностью.
Молекулярные основы SCD широко исследованы. Однако существует ограниченное количество исследований, посвященных тандемным биофизическим факторам, таким как деформируемость и адгезия эритроцитов, которые являются высокодинамичными явлениями. Несмотря на то, что деформируемость эритроцитов была связана с вазоокклюзией при ВСС, у нас есть ограниченные знания о динамических характеристиках деформации эритроцитов, прикрепленных к белкам, связанным с эндотелием, в условиях микрофизиологического потока жидкости. Хотя для измерения деформируемости эритроцитов использовались различные подходы, включая оптический пинцет, микропипеточную аспирацию, атомно-силовую микроскопию (АСМ) и микрофлюидику. Несмотря на то, что оптический пинцет, микропипеточная аспирация и АСМ-анализы позволили проводить чувствительные и контролируемые измерения механических свойств эритроцитов, эти методы обычно выполняются в открытых средах без потока жидкости.
Разработанная исследователями CWRU микрофлюидная платформа может исследовать динамическое деформационное поведение прилипших эритроцитов в физиологических условиях потока на уровне отдельных клеток. Чтобы оценить динамическую деформируемость эритроцитов, исследователи ввели новый параметр: индекс динамической деформируемости (DDI), который они определили как изменение соотношения сторон клетки в зависимости от времени. "Используя эту микрофлюидную систему, мы проанализировали динамическую деформируемость и адгезию серповидных эритроцитов при физиологических и выше физиологических сдвиговых напряжениях потока. Мы впервые сообщаем о субпопуляциях эритроцитов с точки зрения динамических деформационных характеристик в SCD: деформируемые и недеформируемые эритроциты. Кроме того, мы проанализировали адгезию недеформируемых эритроцитов по сравнению с деформируемыми эритроцитами количественно при физиологических и выше физиологических напряжениях сдвига потока в образцах крови, полученных от пациентов с ВСС. Мы наблюдали значительно большее количество прилипших недеформируемых серповидных эритроцитов, чем деформируемых серповидных эритроцитов при напряжениях сдвига потока, значительно превышающих физиологический диапазон, что свидетельствует о взаимодействии между динамической деформируемостью и повышенной адгезией эритроцитов при вазоокклюзионных событиях." говорит Юнус Алапан, Ph.D. кандидат, ведущий автор этой статьи.
Единое исследование свойств адгезии и деформируемости эритроцитов может иметь важное значение для понимания событий вазоокклюзии и фенотипирования патофизиологии заболевания. Изучение динамической деформации клеток может иметь значение при других мультисистемных заболеваниях, таких как β-талассемия, сахарный диабет, наследственный сфероцитоз, истинная полицитемия и малярия. Команда из CWRU в настоящее время работает над дальнейшей характеристикой деформируемости и адгезии эритроцитов у большего числа пациентов с ВСС, чтобы проанализировать их связь с клиническими фенотипами и осложнениями. Эта адаптируемая технология может дать важную биофизическую информацию о патофизиологии заболевания при широком применении в SCD. Более того, разработанная микрофлюидная платформа может быть использована в качестве теста in vitro для мониторинга активности заболевания на исходном уровне и во время клинического течения после лечения, во время болезненных эпизодов и в связи с долгосрочными осложнениями.