Novel Gerät misst Steifigkeit und Klebrigkeit von roten Blutkörperchen

Forscher haben ein vielseitiges Gerät entwickelt, das zwei wichtige Eigenschaften von roten Blutkörperchen misst, die für Sichelzellen und andere Krankheiten relevant sind: Verformung und Adhäsion.
Durch die Bewertung des Ausmaßes der Steifheit und Klebrigkeit der roten Blutzellen eines Patienten könnte die mikrofluidische Vorrichtung eine Möglichkeit bieten, das Fortschreiten der Sichelzellenkrankheit zu überwachen.
Bildnachweis: Grace Gongaware, Cleveland Institute of Art

Das Team von der Case Western Reserve Universität (CWRU) in Cleveland, Ohio, beschreibt das innovative Gerät - eine mikrofluidische Plattform mit einem Computeralgorithmus, der die Mathematik berechnet - in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Technologie.

Die Sichelzellanämie ist eine Gruppe von ererbten roten Blutkörperchen. Menschen mit der Krankheit haben abnormales Hämoglobin - das Protein, das Sauerstoff trägt - in ihren roten Blutkörperchen. Das abnormale Hämoglobin wird Sichel-Hämoglobin genannt.

Rote Blutkörperchen, die normales Hämoglobin enthalten, sind flexibel und wie ein Donut geformt, mit einer dünnen, flachen Fläche in der Mitte anstelle eines Lochs. Dadurch können sie in Blutgefäßen und in kleineren Blutgefäßen durch Knicke quetschen, um lebenswichtigen Sauerstoff an Gewebe und Organe abzugeben.

Sichel Hämoglobin neigt jedoch dazu, steife Stäbchen innerhalb der roten Blutkörperchen zu bilden - es in die Sichel oder Sichel Form ändern, die der Krankheit seinen Namen gibt.

Rote Blutkörperchen, die Sichelhämoglobin enthalten, sind weniger flexibel als normale rote Blutzellen und neigen auch dazu, klebriger zu sein. Diese zwei Merkmale erhöhen das Risiko, dass sie eine Verstopfung in einem Blutgefäß verursachen und die Zufuhr von Sauerstoff zu nahe gelegenen Geweben und Organen behindern.

Wenn eine solche Blockade auftritt, verursacht sie einen plötzlichen und schweren Schmerzanfall - eine sogenannte Schmerzkrise -, die für die Sichelzellenkrankheit typisch ist. Schmerzkrisen treten ohne Vorwarnung auf und erfordern häufig Krankenhausaufenthalte für eine wirksame Behandlung.

Im Extremfall kann die Verstopfung von Blutgefäßen bei Sichelzellenanfällen zu ausgedehnten Organschäden und frühzeitigem Tod führen.

Gegenwärtig ist die einzige Möglichkeit, Sichelzellenanämie zu heilen, eine Stammzelltransplantation. Leider sind die meisten Patienten entweder zu alt für eine Transplantation oder haben keinen Verwandten mit einer ausreichend guten genetischen Übereinstimmung, um transplantierbare Stammzellen zu erhalten.

Wirksame Behandlungen existieren und diese können Symptome reduzieren und das Leben verlängern. Eine frühzeitige Diagnose und regelmäßige Überwachung zur Vermeidung von Komplikationen hilft ebenfalls.

Potentielle Überwachung des Krankheitsverlaufs

Durch die Bewertung des Ausmaßes der Steifheit und Klebrigkeit oder der "dynamischen Verformbarkeit und Adhäsion" der roten Blutkörperchen bietet das neue mikrofluidische Gerät ein großes Potenzial, um das Fortschreiten der Sichelzellenkrankheit zu überwachen, bemerken die Forscher.

Sie sagen, das Gerät könnte auch bei der Erforschung und Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Sichelzellenanämie helfen.

Andere Methoden zur Messung der Steifheit und Klebrigkeit in roten Blutkörperchen - wie Rasterkraftmikroskopie und optische Pinzetten - existieren zwar, aber sie eignen sich nicht für die Arbeit mit Vollblut im klinischen Umfeld, sagen die Forscher.

Sie stellen fest, dass ihr Gerät die Steifheit einzelner roter Blutkörperchen beurteilen kann, und messen auch die Klebrigkeit von roten Blutkörperchen aus Vollblut von Sichelzellenpatienten, indem sie Blutgefäßeigenschaften nachahmen.

Leitender Forscher Umut Gurkan, ein Assistant Professor in CWRU Abteilung für Maschinenbau und Raumfahrttechnik, sagt:

"Das hier entwickelte mikrofluidische System hat das Potenzial, in einem Hochdurchsatzverfahren mit einem integrierten automatisierten Bildverarbeitungsalgorithmus zur Messung der Verformbarkeit und Adhäsion von roten Blutkörperchen im Blut von Patienten eingesetzt zu werden."

Die Autoren erklären, dass gesunde rote Blutkörperchen eine reversible Verformung erfahren, wenn sie in Blutgefäßen um den Körper herum zirkulieren. Sie reagieren extrem schnell auf "Fluidschubspannungen" - sie können sich innerhalb von 100 Millisekunden biegen und wieder in Form bringen.

"Wechselspiel zwischen dynamischer Verformbarkeit und erhöhter Haftung"

Um die dynamische Verformbarkeit der roten Blutkörperchen zu beurteilen, verwendeten die Forscher einen so genannten dynamischen Verformbarkeitsindex (DDI), den sie als "die zeitabhängige Änderung des Seitenverhältnisses der Zelle" definieren. Im Wesentlichen ist das DDI einer Zelle ein Maß dafür, wie schnell es nach dem Auftreten von Fließschubspannung in seine normale Form zurückspringt.

In ihrer Arbeit beschreibt das Team eine Reihe von Tests, bei denen die DDI von verformbaren und nicht verformbaren roten Blutkörperchen gemessen wurde.

Die Forscher verglichen auch die Adhäsion verformbarer und nicht verformbarer Erythrozyten aus Blutproben von Sichelzellenpatienten. Sie testeten die Klebrigkeit der Zellen unter verschiedenen Flussscherkräften - sowohl innerhalb als auch außerhalb der normalen Blutgefäße.

Sie fanden heraus, dass bei Flussschubspannungen "deutlich über dem physiologischen Bereich" nicht verformbare rote Sichelzellen der Erythrozyten viel klebriger waren als verformbare rote Sichelzellen, was ein Wechselspiel zwischen dynamischer Verformbarkeit und erhöhter Adhäsion roter Blutkörperchen beim Blutgefäß nahelegt Blockierung tritt auf.

Das Team schlägt vor, dass das Gerät auch nützlich sein könnte, um die Deformation von Zellen zu untersuchen, die bei anderen Krankheiten - wie Diabetes, Malaria und der Knochenmarkerkrankung Polycythaemia vera - relevant sein könnten.

Die Forscher planen, die Steifheit und Klebrigkeit der roten Blutzellen bei mehr Patienten mit Sichelzellanämie zu untersuchen, damit sie die beiden Eigenschaften mit anderen Krankheits- und Patientenmerkmalen verknüpfen können.

Da die Technologie, um sie herzustellen, billiger und breiter verfügbar wird, verwenden immer mehr Forscher mikrofluidische Geräte auf alle möglichen Arten, um Krankheiten zu untersuchen, zu diagnostizieren und vielleicht sogar zu behandeln.

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