Rode bloedcellen zijn het meest voorkomende celtype in bloed, zuurstof door het menselijk lichaam vervoeren. Bij de bloedsomloop, ze komen herhaaldelijk verschillende niveaus van zuurstofspanning tegen. hypoxie, een toestand van lage zuurstofspanning, is een veel voorkomende micro-omgevingsfactor in fysiologische processen van de bloedcirculatie en verschillende pathologische processen zoals kanker, chronische ontsteking, hartaanvallen en beroertes. In aanvulling, een samenspel tussen slechte cellulaire vervormbaarheid en verminderde zuurstoftoevoer wordt gevonden in verschillende pathologische processen zoals sikkelcelziekte. Sikkelrode bloedcellen ondergaan tegelijkertijd drastische mechanische vervorming tijdens het sikkel- en ontkielingsproces.

De interacties tussen hypoxie en celbiomechanica en de onderliggende biochemische mechanismen van de versnelde schade in zieke rode bloedcellen zijn goed begrepen, echter, de exacte biomechanische gevolgen van hypoxie die bijdragen aan de afbraak van rode bloedcellen (veroudering) blijven ongrijpbaar.

Onderzoekers van het College of Engineering and Computer Science van de Florida Atlantic University, in samenwerking met het Massachusetts Institute of Technology (MIT), getracht de rol van hypoxie op de veroudering van rode bloedcellen te identificeren via de biomechanische routes. Vooral, ze onderzochten door hypoxie geïnduceerde verslechtering van de vervormbaarheid van rode bloedcellen op het niveau van een enkele cel, vergeleek de verschillen tussen niet-cyclische hypoxie en cyclische hypoxie, en documenteerde elk cumulatief effect versus hypoxiecycli, zoals aspecten die niet kwantitatief zijn onderzocht. De vervormbaarheid van rode bloedcellen is een belangrijke biomarker van zijn functionaliteit.

Voor de studie, gepubliceerd in het tijdschrift Lab op een chip , onderzoekers ontwikkelden een veelzijdige microfluïdische in vitro test om de gasvormige omgeving nauwkeurig te controleren terwijl de mechanische prestaties van rode bloedcellen worden onderzocht, die kan worden gebruikt als een karakteriseringsinstrument voor andere celtypen die betrokken zijn bij zuurstofafhankelijke biologische processen. De test is veelbelovend voor het onderzoeken van hypoxische effecten op het metastatische potentieel en relevante geneesmiddelresistentie van kankercellen. Kankercellen zijn meer uitgezaaid in een hypoxische tumormicro-omgeving en het is aangetoond dat de stijfheid van kankercellen een effectieve biomarker is van hun metastatische potentieel.

Bevindingen uit de studie wijzen op een belangrijk biofysisch mechanisme dat ten grondslag ligt aan de veroudering van rode bloedcellen, waarbij de cyclische hypoxie-uitdaging alleen kan leiden tot mechanische afbraak van het rode bloedcelmembraan. Dit proces in combinatie met de door vervorming veroorzaakte mechanische vermoeidheid vertegenwoordigt twee belangrijke vermoeidheidsbelastingen die circulerende rode bloedcellen ervaren.

"Een uniek kenmerk van ons systeem is dat de celvervormbaarheidsmeting kan worden gedaan op meerdere, individueel gevolgde rode bloedcellen onder een goed gecontroleerde zuurstofspanningsomgeving, " zei Sarah Du, doctoraat, senior auteur, een universitair hoofddocent bij de afdeling Ocean and Mechanical Engineering van de FAU, en lid van FAU's Institute for Human Health and Disease Intervention (I-HEALTH). "Onze resultaten toonden aan dat de vervormbaarheid van rode bloedcellen afneemt onder deoxygenatieomstandigheden door mechanische karakterisering van individuele cellen voor en na als reactie op het omschakelen van zuurstofniveaus in een microfluïdisch apparaat."

Microfluidics dient als een geminiaturiseerd en efficiënt platform voor gasdiffusie door het gas en de waterige oplossing door een stroom of een gasdoorlatend membraan te verbinden, die ook vatbaar is voor de controle van de cellulaire gasvormige micro-omgeving.

Voor de studie, onderzoekers onderwierpen rode bloedcellen aan een goed gecontroleerde herhaalde hypoxie-micro-omgeving terwijl gelijktijdige karakterisering van de mechanische eigenschappen van de cel mogelijk was. Ze integreerden een elektrovervormingstechniek in een microdiffusiekamer, die gemakkelijk te implementeren en flexibel was bij gelijktijdige toepassingen van cyclische hypoxie-uitdaging en schuifspanningen op individuele cellen in suspensie en onder quasi-stationaire omstandigheden.

Metingen van biomarkers, zoals oxidatieve schade, kan aanvullende informatie verschaffen om kwantitatieve relaties tussen de vermoeidheidsbelasting en de biologische processen vast te stellen, waardoor een beter begrip van het falen en veroudering van rode bloedcellen ontstaat. De microfluïdische test kan ook worden uitgebreid om andere soorten biologische cellen te bestuderen voor hun mechanische prestaties en reactie op gasvormige omgevingen.

"De unieke methode die is ontwikkeld door het laboratorium van professor Du kan ook een nuttig hulpmiddel zijn om de mechanische prestaties van natuurlijke en kunstmatige rode bloedcellen voor transfusiedoeleinden te voorspellen, evenals om de werkzaamheid van relevante reagentia te beoordelen bij het verlengen van de cellulaire levensduur in omloop, " zei Stella Batalama, doctoraat, decaan, College van Ingenieurswetenschappen en Informatica. "Deze veelbelovende en geavanceerde test heeft het potentieel om zich verder uit te breiden naar rode bloedcellen bij andere bloedziekten en andere celtypen."