Röda blodkroppar är den vanligaste celltypen i blod, transporterar syre genom hela människokroppen. I blodcirkulationen, de stöter upprepade gånger på olika nivåer av syrespänning. Hypoxi, ett tillstånd med låg syrespänning, är en mycket vanlig mikro-miljöfaktor i fysiologiska processer av blodcirkulationen och olika patologiska processer som cancer, kronisk inflammation, hjärtinfarkt och stroke. Dessutom, ett samspel mellan dålig cellulär deformerbarhet och försämrad syretillförsel finns i olika patologiska processer såsom sicklecellssjukdom. Sickle röda blodkroppar genomgår samtidigt drastisk mekanisk deformation under sickling och unsickling processen.

Interaktionerna mellan hypoxi och cellbiomekanik och de underliggande biokemiska mekanismerna för den accelererade skadan i sjuka röda blodkroppar är välkända, dock, de exakta biomekaniska konsekvenserna av hypoxi som bidrar till nedbrytning av röda blodkroppar (åldrande) är fortfarande svårfångade.

Forskare från Florida Atlantic University's College of Engineering and Computer Science, i samarbete med Massachusetts Institute of Technology (MIT), försökte identifiera hypoxis roll för åldrande av röda blodkroppar via de biomekaniska vägarna. Särskilt, de undersökte hypoxi-inducerad försämring av röda blodkroppars deformerbarhet på encellsnivå, jämförde skillnaderna mellan icke-cyklisk hypoxi och cyklisk hypoxi, och dokumenterade eventuella kumulativa effekter kontra hypoxicykler, såsom aspekter som inte har studerats kvantitativt. Röda blodkroppars deformerbarhet är en viktig biomarkör för dess funktionalitet.

För studien, publiceras i tidskriften Lab on a Chip , forskare utvecklade en mångfacetterad mikrofluidik in vitro analys för att exakt kontrollera den gasformiga miljön samtidigt som den undersöker den mekaniska prestandan hos röda blodkroppar, som kan användas som ett karakteriseringsverktyg för andra celltyper involverade i syreberoende biologiska processer. Analysen lovar att undersöka hypoxiska effekter på den metastatiska potentialen och relevant läkemedelsresistens hos cancerceller. Cancerceller är mer metastaserande i en hypoxisk tumörmikromiljö och cancercellstyvhet har visat sig vara en effektiv biomarkör för deras metastatiska potential.

Resultat från studien indikerar en viktig biofysisk mekanism som ligger bakom åldrande av röda blodkroppar där den cykliska hypoxiutmaningen ensam kan leda till mekanisk nedbrytning av membranet av röda blodkroppar. Denna process i kombination med den deformationsinducerade mekaniska tröttheten representerar två stora utmattningsbelastningsförhållanden som cirkulerande röda blodkroppar upplever.

"En unik egenskap hos vårt system ligger i att celldeformerbarhetsmätningen kan göras på flera, individuellt spårade röda blodkroppar under en välkontrollerad syrespänningsmiljö, sa Sarah Du, Ph.D., senior författare, en docent vid FAU:s institution för hav och maskinteknik, och medlem av FAU:s Institute for Human Health and Disease Intervention (I-HEALTH). "Våra resultat visade att deformerbarheten av röda blodkroppar minskar under deoxygeneringsförhållanden genom före- och efter mekanisk karakterisering av individuella celler som svar på byte av syrenivåer i en mikrofluidisk enhet."

Mikrofluidik fungerar som en miniatyriserad och effektiv plattform för gasdiffusion genom att gränsa gasen och vattenlösningen genom flöde eller ett gaspermeabelt membran, som också är mottaglig för kontroll av den cellulära gasformiga mikromiljön.

För studien, forskare utsatte röda blodkroppar för en välkontrollerad upprepad hypoxi-mikromiljö samtidigt som de tillät samtidig karaktärisering av cellens mekaniska egenskaper. De integrerade en elektrodeformationsteknik i en mikrodiffusionskammare, som var lätt att implementera och flexibel vid samtidiga tillämpningar av cyklisk hypoxiutmaning och skjuvspänningar på enskilda celler i suspension och under kvasistationära förhållanden.

Mätningar av biomarkörer, såsom oxidativ skada, kan ge ytterligare information för att fastställa kvantitativa samband mellan utmattningsbelastningen och de biologiska processerna, ger en bättre förståelse för röda blodkroppar och åldrande. Den mikrofluidiska analysen kan också utökas för att studera andra typer av biologiska celler för deras mekaniska prestanda och svar på gasformiga miljöer.

"Den unika metoden som utvecklats av professor Du's labb kan också vara ett användbart verktyg för att förutsäga den mekaniska prestandan hos naturliga och artificiella röda blodkroppar för transfusionsändamål samt för att bedöma effektiviteten av relevanta reagenser för att förlänga den cellulära livslängden i cirkulationen, sa Stella Batalama, Ph.D., dekanus, Högskolan för ingenjör och datavetenskap. "Denna lovande och banbrytande analys har potential att ytterligare sträcka sig till röda blodkroppar i andra blodsjukdomar och andra celltyper."