微流體系統(tǒng)模擬毛細血管幫助預(yù)測血管易堵塞程度

在鐮刀形紅細胞病發(fā)病過程中，變形的紅細胞聚集在一起，阻塞微小血管并在受影響的身體部位引起劇烈疼痛和腫脹，這也是鐮狀細胞病最常見的并發(fā)癥之一。

麻省理工學(xué)院的一項新研究揭示了這一癥狀是如何產(chǎn)生的。這些發(fā)現(xiàn)也代表著能夠預(yù)測這類風(fēng)險的發(fā)生。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這些疼痛事件最有可能是由一類稱為網(wǎng)織紅細胞的未成熟紅細胞產(chǎn)生的，它們更容易粘在血管壁上。

新加坡南洋理工大學(xué)校長，麻省理工學(xué)院前工程學(xué)院院長，Vannevar Bush工程名譽教授Subra Suresh也是該研究的高級作者，該研究于9月發(fā)表在《PNAS》雜志上。該論文的主要作者是麻省理工學(xué)院博士后Dimitrios Papageorgiou和前博士后Sabia Abidi。

患有鐮狀細胞病的患者編碼血紅蛋白的基因中有一個突變，這會產(chǎn)生畸形的紅細胞：細胞變成鐮刀狀，而不是特征性的圓盤狀?；颊呓?jīng)?；加胸氀Y，因為異常的血紅蛋白不能攜帶足夠的氧氣。對于這類疾病，目前通常用阿片類藥物或其他藥物治療其導(dǎo)致的血管閉塞性疼痛。

為了探究紅細胞如何與血管相互作用以引發(fā)血管閉塞性疼痛，研究人員建立了一種專門的微流體系統(tǒng)用于模擬毛細血管，并使得將脫氧血液從毛細血管中帶走。這些直徑約10-20微米的血管十分容易發(fā)生血管閉塞。

微流體系統(tǒng)旨在讓研究人員控制氧氣水平。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧氣非常低或處于缺氧狀態(tài)時，與毛細血管后血管相似，鐮狀紅細胞粘附在血管壁上的可能性比正常氧氣水平狀態(tài)下高2到4倍。當(dāng)氧氣含量低時，鐮狀細胞內(nèi)的血紅蛋白形成僵硬的纖維，生長并向外推動細胞膜。這些纖維還有助于細胞更牢固地粘附在血管內(nèi)壁上。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在患有鐮狀細胞病的患者中，稱為網(wǎng)織紅細胞的未成熟紅細胞最有可能粘附在血管上。這些年輕的鐮狀紅細胞剛從骨髓中釋放出來，比成熟紅細胞的表面積更大，使它們能夠產(chǎn)生更多的粘附位點。

研究人員希望設(shè)計更完整的血管阻塞模型結(jié)合現(xiàn)有模型和有關(guān)黏附方面的新發(fā)現(xiàn)，預(yù)測鐮狀細胞性貧血癥患者血細胞變硬需要多長時間，并非所有鐮狀細胞病患者都經(jīng)歷過血管閉塞，該并發(fā)癥的發(fā)病率在患者之間可能存在很大差異，麻省理工學(xué)院的研究人員希望他們的研究結(jié)果可以幫助他們設(shè)計一種預(yù)測個體患者發(fā)生上述癥狀的風(fēng)險。

“血細胞黏附確實是一個非常復(fù)雜的過程，開發(fā)基于微流體實驗新模型，模擬低氧條件下鐮狀細胞的定量黏附實驗，這是一項獨一無二的開創(chuàng)性實驗，”布朗大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授、文章通訊作者George Karniadakis說道。