Одно из наиболее распространенных осложнений серповидно-клеточной анемии возникает, когда деформированные эритроциты слипаются друг с другом, блокируя крошечные кровеносные сосуды и вызывая сильную боль и отек в пораженных частях тела.
Новое исследование Массачусетского технологического института проливает свет на то, как возникают эти явления, известные как вазоокклюзионные болевые кризы. Полученные данные также представляют собой шаг к способности предсказать, когда может произойти такой кризис.
“Эти болезненные кризисы очень непредсказуемы. В некотором смысле мы понимаем, почему они происходят, но пока у нас нет надежного способа их предсказать », – говорит Мин Дао, главный научный сотрудник отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института и один из ведущих авторов исследования.
Исследователи обнаружили, что эти болезненные явления, скорее всего, вызваны незрелыми эритроцитами, называемыми ретикулоцитами, которые более склонны к прилипанию к стенкам кровеносных сосудов.
Субра Суреш, президент Технологического университета Наньян в Сингапуре, бывший декан инженерного факультета Массачусетского технологического института и почетный профессор технических наук Ванневар Буш, также является старшим автором исследования, которое опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе сентября. 3. Ведущими авторами статьи являются постдок MIT Димитриос Папагеоргиу и бывший постдок Сабия Абиди.
Имитация кровотока
Пациенты с серповидно-клеточной анемией имеют единственную мутацию в гене, который кодирует гемоглобин, белок, который позволяет эритроцитам переносить кислород. Это производит деформированные красные кровяные тельца: вместо характерной формы диска клетки становятся серповидными, особенно в условиях низкого содержания кислорода. Пациенты часто страдают анемией, потому что аномальный гемоглобин не может переносить столько кислорода, а также от вазоокклюзионных болевых кризов, которые обычно лечат опиоидами или другими лекарствами.
Чтобы исследовать, как эритроциты взаимодействуют с кровеносными сосудами, чтобы вызвать вазоокклюзионный кризис, исследователи построили специализированную микрофлюидную систему, которая имитирует посткапиллярные сосуды, которые переносят дезоксигенированную кровь от капилляров. В этих сосудах диаметром около 10-20 микрон наиболее вероятно возникновение окклюзии сосудов.
Микрожидкостная система предназначена для того, чтобы исследователи могли контролировать уровень кислорода. Они обнаружили, что при очень низком уровне кислорода или в условиях гипоксии, аналогично тому, что наблюдается в посткапиллярных сосудах, серповидные эритроциты в два-четыре раза чаще прилипают к стенкам кровеносных сосудов, чем при нормальном уровне кислорода.
При низком уровне кислорода гемоглобин внутри серповидных клеток образует жесткие волокна, которые растут и выталкивают клеточную мембрану наружу. Эти волокна также помогают клеткам более прочно прилипать к слизистой оболочке кровеносного сосуда.
«Было мало понимания того, почему при гипоксии гораздо больше спаек», – говорит Суреш. “Эксперименты этого исследования позволяют понять процессы и механизмы, ответственные за усиление адгезии.”
Исследователи также обнаружили, что у пациентов с серповидно-клеточной анемией незрелые эритроциты, называемые ретикулоцитами, с большей вероятностью прилипают к кровеносным сосудам. Эти молодые серповидные эритроциты, только что выпущенные из костного мозга, несут большую площадь поверхности клеточной мембраны, чем зрелые эритроциты, что позволяет им создавать больше участков адгезии.
«Мы наблюдали рост серповидных гемоглобиновых волокон, растягивающих ретикулоциты в течение нескольких минут», – говорит Папагеоргиу. “Похоже, они пытаются захватить больше поверхности и сильнее прилипнуть.”
Прогнозы пациентов
Теперь исследователи надеются разработать более полную модель вазоокклюзии, которая сочетает в себе их новые результаты по адгезии с предыдущими исследованиями, в которых они измерили, сколько времени требуется клеткам крови у пациентов с серповидно-клеточными клетками, чтобы они стали жесткими, что повысило их вероятность блокировать кровоток в крошечные кровеносные сосуды. Не все пациенты с серповидно-клеточной анемией испытывают вазоокклюзию, и частота приступов может широко варьироваться между пациентами. Исследователи из Массачусетского технологического института надеются, что их результаты могут помочь им разработать способ прогнозирования этих кризисов для отдельных пациентов.
«Адгезия клеток крови – действительно очень сложный процесс, и нам пришлось разработать новые модели на основе таких микрофлюидных экспериментов. Эти эксперименты по адгезии и соответствующее моделирование серповидных эритроцитов в условиях гипоксии являются количественными и уникальными », – говорит Джордж Карниадакис, профессор прикладной математики в Университете Брауна и старший автор исследования.