Эволюция площади поверхности и модуля сдвига мембраны зрелых эритроцитов человека при механической усталости

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 8563 (2023) Цитировать эту статью

274 доступа

Подробности о метриках

Механические свойства эритроцитов (эритроцитов) изменяются во время их старения, что поддерживает многочисленные физиологические или патологические процессы в системах кровообращения, обеспечивая решающую клеточную механическую среду гемодинамики. Однако количественные исследования старения и изменений свойств эритроцитов в значительной степени отсутствуют. Здесь мы исследуем морфологические изменения, размягчение или усиление одиночных эритроцитов во время старения, используя модель механической усталости in vitro. Используя микрофлюидную систему с микротрубками, эритроциты неоднократно подвергаются растяжению и расслаблению, когда они втискиваются в область внезапного сжатия и выходят из него. Геометрические параметры и механические свойства эритроцитов здорового человека систематически характеризуются при каждом цикле механической нагрузки. Наши экспериментальные результаты идентифицируют три типичных изменения формы эритроцитов во время механической усталости, все из которых тесно связаны с потерей площади поверхности. Мы построили математические модели эволюции площади поверхности и модуля сдвига мембраны одиночных эритроцитов во время механической усталости, а также количественно разработали ансамблевый параметр для оценки статуса старения эритроцитов. Это исследование предоставляет не только новую модель усталости in vitro для изучения механического поведения эритроцитов, но также индекс, тесно связанный с возрастом и присущими физическими свойствами для количественной дифференциации отдельных эритроцитов.

У млекопитающих эритроциты (эритроциты) являются одними из наиболее важных клеток для поддержания условий жизни, постоянно перемещаясь по кровеносным сосудам различного размера и узким щелям. В течение типичной продолжительности жизни эритроцитов человека, составляющей 120 дней, они меняют геометрические и механические свойства по мере старения клеток1,2,3 и проявляют биофизические фенотипы для диагностики различных заболеваний4,5. В отличие от старения ядросодержащих клеток, эритроциты не имеют ядра и, таким образом, обладают уникальной регуляцией клеточного старения. Поскольку эритроциты неоднократно продавливаются через микрососудистую сеть и субмикронные межэндотелиальные щели селезенки (IES) и пересекают макрососудистую сеть, они подвергаются значительным механическим циклам посредством сильного эластического растяжения и расслабления6. Одним из наиболее важных вопросов биологии эритроцитов является влияние механической усталости на старение эритроцитов, которое не было изучено количественно.

В процессе старения клеток эритроциты частично теряют свои мембраны, что приводит к изменению их морфологии с чашеобразной на стабильную дискоидную двояковогнутую форму7. Эритроциты поддерживают свою оптимальную клеточную форму во время длительного кровообращения, генерируя микровезикулы8,9 и регулируя объем клеток10 для устранения повреждений клеток, включая повреждение мембран из-за механической усталости и окислительного стресса3. Анализ физических характеристик, сравнивающий молодые и старые эритроциты1,2,11, использует мечение изотопом, биотином или гликированным гемоглобином (HbA1c) в качестве маркеров возраста клеток11,12 и подтверждает, что объем и площадь поверхности монотонно уменьшаются по мере старения клеток. Но наблюдения за изменением модуля сдвига мембраны во время старения клеток не согласуются с тем, что Сутера и др. 13 наблюдали значительное увеличение модуля упругости мембраны эритроцитов во время старения клеток in vivo, в то время как Ли и др. 14 утверждали, что ретикулоциты более жесткие. чем созревшие эритроциты.

Из-за отсутствия ядра и мРНК эритроциты в основном пассивно реагируют на свое механическое микроокружение, поэтому подвергание эритроцитов механическим стимуляциям в течение их жизни, возможно, важно. Замечено, что механическая нагрузка в селезенке играет решающую роль в биологии эритроцитов. Специфическая для селезенки структура IES не только способствует созреванию за счет удаления органелл ретикулоцитов15, но также способствует изменению модуля сдвига мембраны, изменению формы5,7,15 и элиминации старых или больных эритроцитов15,16,17. Здесь селезеночные потоки с эритроцитами, протискивающимися через IES обычно длиной 0,65 мкм и высотой 2–3 мкм, являются важнейшими особенностями их везикуляции, поскольку плотность связей скелет-мембрана уязвима для снижения при механическом циклировании с чрезвычайно узкими щелями18. Это подтверждается открытием того, что большая потеря гемоглобина происходит в везикулах эритроцитов у людей с заболеваниями селезенки по сравнению с таковыми у здоровых людей in vivo19. Кроме того, при заболеваниях крови, таких как наследственный сфероцитоз, скорость потери площади поверхности эритроцитов увеличивается при циклической нагрузке селезенки из-за ослабления сцепления между липидным бислоем и цитоскелетом17. Таким образом, механическая езда по микрокапиллярным сосудам и узким просветам как стандартная процедура механической стимуляции в течение жизни эритроцитов подразумевает основной механический принцип их созревания и старения. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять количественную эволюцию площади поверхности и модуля сдвига мембраны одиночных эритроцитов при механическом циклировании в связи с процессом старения эритроцитов.