기계적 피로 동안 성숙한 인간 적혈구의 표면적 및 막 전단 계수의 진화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8563(2023) 이 기사 인용

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적혈구(RBC)의 기계적 특성은 노화 동안 변화하며, 이는 혈역학의 중요한 세포 기계적 환경을 제공함으로써 순환계의 수많은 생리학적 또는 병리학적 과정을 지원합니다. 그러나 RBC 특성의 노화와 변화에 대한 정량적 연구는 거의 부족합니다. 여기에서는 체외 기계적 피로 모델을 사용하여 노화 동안 단일 RBC의 형태학적 변화, 연화 또는 경화를 조사합니다. 마이크로튜브가 있는 미세유체 시스템을 사용하여 적혈구는 갑작스러운 수축 영역 안팎으로 압착되면서 반복적으로 늘어나거나 이완됩니다. 건강한 인간 RBC의 기하학적 매개변수와 기계적 특성은 각 기계적 로딩 주기에 따라 체계적으로 특성화됩니다. 우리의 실험 결과는 기계적 피로 동안 RBC의 세 가지 일반적인 형태 변형을 식별하며, 이는 모두 표면적 손실과 밀접한 관련이 있습니다. 우리는 기계적 피로 동안 단일 RBC의 표면적 및 막 전단 계수의 변화에 대한 수학적 모델을 구축하고 RBC의 노화 상태를 평가하기 위한 앙상블 매개변수를 정량적으로 개발했습니다. 이 연구는 적혈구의 기계적 거동을 조사하기 위한 새로운 시험관 내 피로 모델뿐만 아니라 개별 적혈구의 정량적 차별화를 위해 연령 및 고유 물리적 특성과 밀접한 관련이 있는 지표도 제공합니다.

포유류에서 적혈구(RBC)는 다양한 크기의 순환 혈관과 좁은 틈을 통해 지속적으로 이동하면서 생활 조건을 유지하는 데 가장 중요한 세포 중 하나입니다. 인간 적혈구의 일반적인 수명인 120일 동안 세포 노화에 따라 기하학적, 기계적 특성이 변화하고1,2,3 다양한 질병 진단을 위한 생물물리학적 표현형을 나타냅니다4,5. 유핵 세포의 노화와는 달리, 적혈구에는 핵이 없으므로 세포 노화에 대한 독특한 조절을 나타냅니다. 적혈구가 미세혈관 및 미세혈관 이하 비장 내피 틈(IES)을 통해 반복적으로 압착하고 거대 혈관계를 통과함에 따라 큰 탄성 신장 및 이완을 통해 상당한 기계적 순환을 겪게 됩니다6. RBC 생물학에 대한 가장 중요한 질문 중 하나는 기계적 피로가 RBC 노화에 미치는 영향을 정량적으로 다루지 않았습니다.

세포 노화 동안 적혈구는 부분적으로 막을 벗겨내며 형태가 컵 모양에서 안정적인 원반형 양면 오목 모양으로 변화됩니다7. 적혈구는 미세소포8,9를 생성하고 세포 부피10를 조절하여 기계적 피로와 산화 스트레스로 인한 막 손상을 포함한 세포 손상을 제거함으로써 장기간 순환하는 동안 최적의 세포 형태를 유지합니다3. 젊은 RBC와 노화된 RBC를 비교하는 물리적 특성 분석에서는 동위원소, 비오틴 또는 당화혈색소(HbA1c) 라벨링을 세포 연령에 대한 마커로 사용하고 세포 노화에 따라 부피와 표면적이 단조롭게 감소한다는 것을 뒷받침합니다. 그러나 세포 노화 동안 막 전단 계수의 변화에 대한 관찰은 Sutera et al.13이 생체 내에서 세포 노화 동안 RBC 막의 탄성 계수의 상당한 증가를 관찰한 반면 Li et al.14는 망상적혈구가 더 강하다고 언급한 것과 일치하지 않습니다. 성숙한 적혈구보다

핵과 mRNA가 없기 때문에 RBC는 주로 기계적 미세 환경에 수동적으로 반응하므로 수명 동안 RBC가 기계적 자극을 받는 것이 틀림없이 중요합니다. 비장의 기계적 부하가 적혈구 생물학에서 중요한 역할을 한다는 것이 알려졌습니다. 비장 특이적 IES 구조는 망상적혈구 소기관15 제거를 통해 성숙을 촉진할 뿐만 아니라 막 전단 계수 변경, 형태 전이5,7,15 및 노화되거나 질병이 있는 RBC15,16,17 제거에도 기여합니다. 여기서, 일반적으로 0.65 μm 길이와 2-3 μm 높이의 IES를 통해 압착하는 적혈구가 있는 비장 흐름은 골격-막 연결의 밀도가 극도로 좁은 슬릿을 사용하는 기계적 사이클링 하에서 감소되기 쉽기 때문에 소포의 중요한 특징입니다. 이는 생체 내 건강한 개인의 헤모글로빈 손실과 비교하여 비장 장애가 있는 개인의 RBC 소포 소포에 더 많은 헤모글로빈 손실이 나타난다는 발견에 의해 뒷받침됩니다. 또한, 유전성 구상적혈구증과 같은 혈액 질환에서는 지질 이중층과 세포골격 사이의 응집력이 약화되어 비장 순환 부하 하에서 적혈구의 표면적 손실 속도가 증가합니다17. 따라서 적혈구 수명의 기계적 자극의 표준 루틴으로서 미세모세혈관과 좁은 내강을 통한 기계적 순환은 적혈구의 성숙과 노화에 대한 기본 기계적 원리를 의미합니다. 따라서 RBC 노화 과정과 관련하여 기계적 사이클링을 통한 단일 RBC의 표면적 및 막 전단 계수의 정량적 진화를 이해하려면 추가 조사가 필요합니다.

37 g/dL). It's worth noting that "young" and "aged" here refer to different stages of RBCs during their roughly 120-day lifespan. That is, at the beginning of 200 rounds of mechanical cycling as performed in the present experiments, freshly-drawn RBCs on average have already lost half of their spendable surface areas during the whole aging process that roughly requires 1500 rounds of cycling./p>\), as the initial change rate, \({{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{0}\approx <{{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{n}>\)./p>-C/g\), the shear modulus increases (\({{Es}^{^{\prime}}}_{0}>0\)). If \({A}_{0}=-C/g\), the shear modulus remains constant (\(Es_{0}^{^{\prime}} = 0\)). By expressing the shear modulus in terms of the surface area,/p>