Kredit:CC0 Public Domain
Røde blodlegemer er den hyppigst forekommende celletype i blodet, transporterer ilt gennem hele menneskekroppen. I blodcirkulationen, de støder gentagne gange på forskellige niveauer af iltspænding. Hypoxi, en tilstand med lav iltspænding, er en meget almindelig mikro-miljøfaktor i fysiologiske processer i blodcirkulationen og forskellige patologiske processer såsom kræft, kronisk betændelse, hjerteanfald og slagtilfælde. Ud over, et samspil mellem dårlig cellulær deformerbarhed og nedsat ilttilførsel findes i forskellige patologiske processer såsom seglcellesygdom. Seglrøde blodlegemer gennemgår samtidigt drastisk mekanisk deformation under segl- og afseglingsprocessen.
Interaktionerne mellem hypoxi og cellebiomekanik og de underliggende biokemiske mekanismer for accelereret skade i syge røde blodlegemer er velkendte, imidlertid, de nøjagtige biomekaniske konsekvenser af hypoxi, der bidrager til nedbrydning af røde blodlegemer (ældning), er stadig uhåndgribelige.
Forskere fra Florida Atlantic University's College of Engineering and Computer Science, i samarbejde med Massachusetts Institute of Technology (MIT), søgte at identificere hypoxis rolle på ældning af røde blodlegemer via de biomekaniske veje. I særdeleshed, de undersøgte hypoxi-induceret svækkelse af røde blodlegemers deformerbarhed på enkeltcelleniveau, sammenlignede forskellene mellem ikke-cyklisk hypoxi og cyklisk hypoxi, og dokumenterede enhver kumulativ effekt vs. hypoxi -cykler, såsom aspekter, der ikke er undersøgt kvantitativt. Røde blodlegemers deformerbarhed er en vigtig biomarkør for dets funktionalitet.
Til studiet, offentliggjort i tidsskriftet Lab on a Chip , forskere udviklede en mangefacetteret mikrofluid in vitro analyse for præcist at kontrollere det gasformige miljø, mens man undersøger den mekaniske ydelse af røde blodlegemer, som kan bruges som karakteriseringsværktøj for andre celletyper involveret i iltafhængige biologiske processer. Analysen lover at undersøge hypoxiske virkninger på det metastatiske potentiale og relevant lægemiddelresistens i cancerceller. Kræftceller er mere metastaserende i et hypoxisk tumormikromiljø, og kræftcellers stivhed har vist sig at være en effektiv biomarkør for deres metastatiske potentiale.
Resultater fra undersøgelsen indikerer en vigtig biofysisk mekanisme, der ligger til grund for ældning af røde blodlegemer, hvor den cykliske hypoxiudfordring alene kan føre til mekanisk nedbrydning af den røde blodlegememembran. Denne proces i kombination med den deformationsinducerede mekaniske træthed repræsenterer to store træthedsbelastningstilstande, som cirkulerende røde blodlegemer oplever.
"Et unikt træk ved vores system ligger i, at måling af celledeformerbarhed kan foretages på flere, individuelt sporede røde blodlegemer under et velkontrolleret iltspændingsmiljø, " sagde Sarah Du, Ph.D., senior forfatter, lektor ved FAU's Institut for Hav- og Maskinteknik, og medlem af FAU's Institut for Human Health and Disease Intervention (I-HEALTH). "Vores resultater viste, at deformerbarheden af røde blodlegemer falder under deoxygeneringsbetingelser ved før-og-efter mekanisk karakterisering af individuelle celler som reaktion på skift af iltniveauer i en mikrofluidisk enhed."
Microfluidics fungerer som en miniaturiseret og effektiv platform for gasdiffusion ved at forbinde gassen og den vandige opløsning gennem flow eller en gasgennemtrængelig membran, som også er modtagelig for kontrol af det cellulære gasformige mikromiljø.
Til studiet, forskere udsatte røde blodlegemer for et velkontrolleret gentagen hypoxi-mikromiljø, mens de tillod samtidig karakterisering af cellens mekaniske egenskaber. De integrerede en elektrodeformationsteknik i et mikrodiffusionskammer, som var let at implementere og fleksibel i samtidige anvendelser af cyklisk hypoxi-udfordring og forskydningsspændinger på individuelle celler i suspension og under kvasi-stationære forhold.
Målinger af biomarkører, såsom oxidative skader, kan give yderligere information til at etablere kvantitative sammenhænge mellem udmattelsesbelastningen og de biologiske processer, giver en bedre forståelse af røde blodlegemers svigt og aldring. Det mikrofluidiske assay kan også udvides til at studere andre typer biologiske celler for deres mekaniske ydeevne og reaktion på gasformige miljøer.
"Den unikke metode udviklet af professor Du's laboratorium kan også være et nyttigt værktøj til at forudsige den mekaniske ydeevne af naturlige og kunstige røde blodlegemer til transfusionsformål samt til at vurdere effektiviteten af relevante reagenser til at forlænge den cellulære levetid i cirkulationen, " sagde Stella Batalama, Ph.D., dekan, Ingeniørhøjskole og datalogi. "Denne lovende og banebrydende analyse har potentialet til yderligere at udvide til røde blodlegemer i andre blodsygdomme og andre celletyper."
Sidste artikelTuning af fleksible kredsløb med lys
Næste artikelKontaktsporingssystem for kemisk eksponering i miljøet