微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細胞形狀變化

紅細胞的形狀取決于它們在體內(nèi)的位置，據(jù)麥姆斯咨詢報道，德國和法國的研究人員使用微流控裝置結(jié)合數(shù)值模擬，以獲取這種形狀變化如何發(fā)生的重要新見解。

紅細胞是盤狀物體，直徑約為8微米，幾乎占血液成分的一半。在靜止時，細胞呈現(xiàn)對稱的雙凹盤形狀，其邊緣比中心厚。

微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細胞形狀變化

它們不是剛性顆粒，包含由細胞膜包裹的液態(tài)細胞質(zhì)，使得整個細胞結(jié)構(gòu)具有柔性。當細胞在體內(nèi)穿行時，它會流經(jīng)寬的動脈和靜脈，也可以通過狹窄的血管。一直以來，細胞都沉浸在相對較厚和粘稠的血漿中，血漿會對細胞形狀產(chǎn)生影響。

形狀和流動性

血細胞在穿過身體過程中的形變，在其流動性中起著重要作用，將影響到血液循環(huán)。因此，了解形狀如何影響流動性，對理解基本的血液循環(huán)，一些血液相關(guān)疾病，以及藥物如何在體內(nèi)作用至關(guān)重要。

科學家們知道，由于存在剪切應力，紅細胞在狹窄的血管中會發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變。隨著剪切速率的增加，細胞首先翻滾，然后變成翻滾中的“口形紅細胞”，彷佛一頂不對稱的降落傘。在較高的剪切速率下，紅細胞形成奇特的多葉形狀。

現(xiàn)在，于利希研究中心（Research Center Jülich）復雜系統(tǒng)研究所（the Institute of Complex Systems）的Dmitry Fedosov和來自蒙彼利埃大學（University of Montpellier）的同事們研究了細胞液（細胞內(nèi)的液體）和血漿之間的各種剪切速率和粘度比如何影響各種紅細胞形狀之間的轉(zhuǎn)換。

Fedosov表示，該團隊的研究“旨在從物理學角度解釋紅細胞的基本行為及其可能發(fā)生的形狀和動態(tài)變化”。他補充道，“我們已經(jīng)了解到這些細胞在簡單流體中的表現(xiàn)，下一步是了解他們在更復雜的微血管系統(tǒng)流動中的運動?！?/span>

微通道

為了探索生理條件下紅細胞的行為，研究人員需要對細胞施加具有相對強流量的高剪切速率。然而，從實驗角度來看，在常規(guī)流變儀中以高剪切速率使用水樣溶液有較高難度。因為溶液可能不夠粘稠以保持在流體腔室內(nèi)。Fedosov及其同事利用微流控裝置克服了這一局限，該裝置可以使流動的液體通過微通道。

研究人員從新鮮的人體血液中獲取紅細胞。細胞在粘性流體中稀釋并通過縫隙狀矩形通道。研究人員使用配備有高速相機的顯微鏡記錄細胞的形狀和運動。隨著研究團隊在微流控裝置通道內(nèi)增加流速，細胞形狀開始從類似滾動的甜甜圈變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)。

微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細胞形狀變化

研究人員觀察到的形狀和動力學，與使用兩種不同流體動力學技術(shù)完成的3D模擬所做的預測完全一致。

下一步研究計劃

研究小組計劃繼續(xù)研究，并將紅細胞形狀的動態(tài)變化和各種疾病的病理變化聯(lián)系起來。Fedosov解釋道，“我們想要模擬更復雜的幾何形態(tài)和更逼真的血流環(huán)境，實際上，人體血液密度比我們模擬的更大?！?/span>

他補充道，“就理論而言，我們的研究成果可以應用于不同疾病與血細胞的聯(lián)系。例如，我們已經(jīng)研究過瘧疾。同理也適用于探索鐮狀細胞貧血癥。我們可以創(chuàng)建一個模擬系統(tǒng)，模擬這些疾病中血細胞的變化，以研究它們在流體中的行為和對氧氣輸送的影響。”

愛丁堡大學的Timm Kruger表示，該研究的一大重要優(yōu)勢在于研究人員在一項實驗中使用了兩種不同且大不一樣的建模方法。

他補充道，“為了模擬較大血管中復雜的紅細胞系統(tǒng)，我們需要關(guān)于單細胞行為的相關(guān)信息。” Fedosov及其同事所作的研究提供了上述信息，并可用于更高級的模型。

Kruger也預測了該研究在醫(yī)學診斷領域的潛在應用?！叭绡懠不蜱牋罴毎氀Y等一些疾病，會影響到紅細胞的形狀。更好地了解紅細胞的流動行為，或許可以借助少量血液幫助醫(yī)學工作者更好地診斷疾病。”