新的研究表明,镰状红细胞如何聚集在一起

镰状细胞粘附

镰状细胞病最常见的并发症之一是变形的红细胞聚集在一起,阻塞细小的血管,在受影响的身体部位造成严重的疼痛和肿胀。

一项新的研究麻省理工学院揭示了这些事件的亮点,被称为血管闭塞疼痛危机。调查结果还代表了能够预测可能发生这种危机时的步骤。

“这些痛苦的危机非常难以预测。在某种意义上,我们理解它们发生的原因,但我们还没有一个好的方法来预测它们,”麻省理工学院材料科学与工程系的首席研究科学家、该研究的资深作者之一Ming Dao说。

研究人员发现,这些令人痛苦的事件最有可能是由未成熟的红细胞(网织红细胞)产生的,这种红细胞更容易粘附在血管壁上。

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)校长、麻省理工学院(MIT)前工程学院院长、万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)的工程荣誉退休教授苏布拉·苏雷什(Subra Suresh)也是发表在《科学》杂志上的这项研究的资深作者国家科学院的诉讼程序9月3日那周。这篇论文的主要作者是麻省理工学院博士后Dimitrios Papageorgiou和前博士后Sabia Abidi。

镰状红细胞是如何粘附在血管上的

V1:不同类型的镰状细胞在缺氧(低氧)和剪切流下粘附于微通道表面,包括i)镰状网织红细胞(年轻红细胞):a、b;ii)镰状成熟红细胞:d、g、h、i、f;3)不可逆镰状细胞:m。

模拟血液流动

镰状细胞病患者有一个编码血红蛋白的基因突变,血红蛋白是一种允许红细胞携带氧气的蛋白质。这导致红细胞畸形:红细胞不再呈圆盘状,而是呈镰刀状,尤其是在低氧条件下。患者通常会出现贫血,因为异常的血红蛋白不能携带足够多的氧气,还会出现血管闭塞性疼痛,这种情况通常用阿片类药物或其他药物治疗。

为了探测红细胞如何与血管相互作用,揭示血管闭塞危机,该研究人员建立了一种专业的微流体系统,模仿毛细血管毛细血管血管血管,该系统将脱氧血液远离毛细血管。这些血管直径约为10-20微米,是最有可能发生血管闭塞的地方。

镰状红细胞粘附在血管上

v2:左:在镰刀网(幼红血细胞)的低氧下同时粘附和聚合,显示出在细胞堆积中生长的多个镰刀血红蛋白纤维;右:缺氧 - 释氧循环后相同的粘附镰刀网状细胞,显示聚合血红蛋白纤维溶解/收缩和残留粘附位点。(信誉:由研究人员提供)

设计微流控系统是为了让研究人员能够控制氧气水平。他们发现,当含氧量非常低或处于缺氧状态时,类似于毛细血管后的情况,镰状红细胞粘附在血管壁上的可能性是在含氧量正常情况下的两到四倍。

当氧气不足时,镰状细胞内的血红蛋白会形成坚硬的纤维,纤维会生长并将细胞膜向外推。这些纤维还有助于细胞更牢固地粘附在血管内壁上。

“在缺氧下,对原因几乎没有了解,有更多的粘合力,”苏珊说。“本研究的实验为负责增加的附着力的过程和机制提供了一些关键洞察。”

研究人员还发现,镰状细胞病患者中,被称为网织红细胞的未成熟红细胞最有可能粘附在血管上。这些年轻的镰状红细胞,刚从骨髓中释放出来,比成熟的红细胞携带更多的细胞膜表面积,使它们能够创造更多的粘附位点。

“我们观察了镰刀血红蛋白纤维在几分钟内伸展网状细胞的生长,”Papageorgiou说。“看起来他们试图抓住更多的表面并更强烈地坚持。”

镰状红细胞

左图:在低氧条件下,不可逆镰状细胞同时粘附和聚合,细胞粘附在表面,并沿着粘附位点沿流向翻转;右图:不可逆镰状细胞在剪切流下的附着力的计算机模拟,其中绿色的圆点代表表面附着力的排列。(信誉:由研究人员提供)

患者预测

研究人员现在希望设计更完整的血管闭塞模型,将其新发现与先前的工作相结合,其中它们测量了从镰刀细胞患者血液细胞加强的血细胞,使它们更有可能阻止血液流动小血管。并非所有患有镰状细胞疾病的患者都会经历vaso-闭塞,并且患者之间的攻击频率可能很大。麻省理工学院研究人员希望他们的发现可能有助于他们设计一种方法来预测个体患者的这些危机。

“血细胞粘附确实是一个非常复杂的过程,我们必须基于这种微流体实验开发新的模型。这些黏附实验和缺氧条件下镰状红细胞的相应模拟是定量的和独特的,”乔治·卡尼亚达基斯说,他是布朗大学应用数学教授,也是这项研究的资深作者。

“在过去十年中,DAO和SURESH对镰状细胞病的作品是显着的,”工程科学副教授Antoine Jerusalem说牛津大学谁没有参与研究。“本文特别是夫妻数控和实验最先进的技术,以增强对缺氧下这些细胞的聚合和粘附性的理解,阐明镰状细胞疾病如何产生血管闭塞的促进逐步。”

这项研究是由美国国立卫生研究院资助的。

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