微流体系统帮助预测血管易堵塞程度

　　

镰状细胞性贫血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血管，引起身体部位剧烈疼痛和肿胀。

麻省理工学院的一项新研究描述了血管闭塞性疼痛危机的细节，并且，这些“蛛丝马迹”也可以帮助患者和医护人员更好地预测危机何时何地将会发生。

“为了预测非常难以预料的疼痛危机，我们需要理解它们为什么会发生，”MIT材料科学与工程系研究员、文章通讯作者Ming Dao说。研究人员发现，疼痛来自未成熟的红细胞，又称网织红细胞（reticulocytes），它们更容易黏附在血管壁上。

新加坡南洋理工大学校长、麻省理工学院前工程系主任、Vannevar Bush荣休教授Subra Suresh也是这篇9月3日发表在《PNAS》杂志上的文章的通讯作者，文章一作是MIT博后Dimitrios Papageorgiou和前博后学者Sabia Abidi。

模拟血流

镰状细胞性贫血症患者其中一个编码血红蛋白的基因突变，血红蛋白帮助血细胞携带氧气，特别在低氧条件下畸形的红细胞变成镰刀状，而不是典型的圆盘状。患者经常遭受贫血，异常的血红蛋白无法携带足够氧气，而血管阻塞性疼痛使患者不得不长期服用阿片类止痛药物。

为了探索红细胞如何与血管相互作用引发血管闭塞危机，研究人员开发了一个专门的微流体系统来模拟末梢毛细血管，这些血管直径约为10-20μm，是最容易发生血管闭塞的血管。

微流体系统被设计成允许研究人员操纵氧气水平，他们发现当氧气非常低或处于低氧条件时，这种后毛细血管中的镰状红细胞被血管壁卡住的概率是正常氧气水平的2-4倍。

含氧量低，镰状细胞内的血红蛋白形成坚硬的纤维，推动细胞膜外移，这些纤维也有助于细胞更牢固地贴在血管内衬上。

“为什么细胞在缺氧状态下黏附性更强，这项研究提供了一些关键的见解，”Suresh说。

研究人员还发现，镰状细胞病患者中，一种被称为网织红细胞的未成熟红细胞最有可能黏附在血管上，这些刚从骨髓中释放出来的年轻镰状细胞比成熟的红细胞携带更多细胞膜表面，允许它们制造更多黏附位点。

“我们观察到，镰刀状红细胞蛋白纤维在几分钟内扩展了网织红细胞，”Papageorgiou说。“看起来它们试图攫取更多表面，以便更坚定地贴附上去。”

致命疾病预测

研究人员希望设计更完整的血管阻塞模型结合现有模型和有关黏附方面的新发现，预测镰状细胞性贫血症患者血细胞变硬需要多长时间，并非所有镰状细胞病患者都经历过血管闭塞，该并发症的发病率在患者之间可能存在很大差异，MIT的研究人员希望他们可以设计出一种预测个体患者血管闭塞危机的方法。

“血细胞黏附确实是一个非常复杂的过程，开发基于微流控实验新模型，模拟低氧条件下镰状细胞的定量黏附实验，这是一项独一无二的开创性实验，”布朗大学应用数学教授、文章通讯作者George Karniadakis说道。

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原文检索：Biomechanics of red blood cells in human spleen and consequences for physiology and disease

（生物通：伍松）