Новый метод показывает, как механическая усталость повреждает биологические клетки человека

Эритроциты человека (красные кровяные тельца, RBCs) чрезвычайно устойчивы и способны к клеточной деформации при движении по микрососудам и капиллярам. За свою нормальную 120-дневную жизнь RBCs подвергаются значительной циклической деформации через сильное эластичное растяжение и расслабление. Патологические деформации RBCs связаны с такими заболеваниями, как малярия, серповидноклеточная анемия, диабет, инфаркт миокарда и различные наследственные расстройства.

Механическая усталость, возникающая из-за циклического напряжения в RBCs, также является ключевым фактором деградации инженерных материалов и структур. Эта усталость может повреждать и разрушать как природные биоматериалы (например, кость), так и синтетические биоматериалы, используемые в имплантатах (зубные имплантаты, искусственные клапаны сердца). Однако механизмы, ответственные за деградацию циркулирующих биологических клеток из-за механической усталости, изучены плохо, особенно для человеческих RBCs. Измерение сложного и клинически значимого поведения биологических клеток при усталости в норме и при патологии десятилетиями было проблемой для учёных.

Исследователи из Флоридского Атлантического университета (FAU), Массачусетского технологического института (MIT) и Наньянского технологического университета в Сингапуре разработали новый способ измерения влияния механической усталости на биологические клетки. Более того, они установили важную роль этого эффекта в изменении физических свойств клеток, таких как RBCs.

Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, также дают представление о накопленном повреждении мембраны во время циркуляции крови, прокладывая путь для дальнейших исследований окончательного разрушения RBCs и механизма, вызывающего их гибель при различных патологиях крови, таких как серповидноклеточная анемия.

Новая методика

Новая техника оценивает механическую целостность и усталостное поведение RBCs с помощью общего метода микрофлюидики, включающего амплитудно-модулированную электро-деформацию. Она индуцирует статическую и циклическую механическую деформацию RBCs и измеряет систематические изменения морфологических и биомеханических характеристик здоровых человеческих RBCs и свойств их мембраны. Этот метод также способен подвергать клетки статическим нагрузкам в течение длительного времени или большому количеству контролируемых циклов механической усталости.

«Платформа для тестирования на усталость, которую мы разработали, обладает множеством отличительных преимуществ для количественной характеристики механического усталостного поведения отдельных биологических клеток», — говорит Сара Ду, доктор философии, старший автор и доцент кафедры океанического и машиностроения FAU. — «Сильные стороны нашего метода заключаются в его простоте и гибкости для наложения контролируемых механических нагрузок с выбранными частотами и формами волн, а также в его способности исследовать множество отдельных клеток в течение тысяч циклов усталости».

Ключевые результаты

Исследователи хотели лучше понять влияние колебаний напряжения или деформации здоровой биологической клетки на её механические и физические характеристики, структурную целостность и работоспособность. Они также хотели определить роль таких факторов, как максимальная интенсивность, амплитуда и скорость деформации, частота циклической деформации и количество циклов, а также выяснить, специфичен ли этот эффект именно для циклических вариаций деформации.

Результаты исследования показывают, что потеря деформируемости RBCs при циклической деформации происходит гораздо быстрее, чем при статической деформации при той же максимальной нагрузке за то же накопленное время нагрузки. Такая вызванная усталостью потеря деформируемости более выражена при более высоких амплитудах циклической деформации.

«Эта передовая техника, разработанная профессором Ду и её группой, станет прорывом, который поможет учёным лучше понять биологические функции эритроцитов и других клеток, влияющих на многие аспекты здоровья человека», — говорит Стелла Баталама, доктор философии, декан инженерного колледжа и компьютерных наук FAU. — «Кроме того, этот уникальный метод имеет важное значение для исследований механической усталости в сочетании с другими микросредами, связанными со здоровьем и материаловедением».