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* 这些作者具有相同的贡献
本文描述了一种基于光学镊子和散焦显微镜的集成协议,以测量细胞的流变特性。该方案在研究不同生理病理条件下红细胞的粘弹性特性方面具有广泛的适用性。
红细胞的粘弹性性已经通过一系列技术进行了研究。但是,报告的实验数据各不相同。这不仅归因于细胞的正常变异性,还归因于细胞反应方法和模型的差异。在这里,采用使用光学镊子和散焦显微镜的集成协议来获得频率范围为1 Hz至35 Hz的红细胞流变特征。虽然光学镊子用于测量红细胞复合弹性常数,但散焦显微镜能够获得细胞高度分布、体积及其形状因子的参数,该参数允许将复杂的弹性常数转换为复杂的剪切模量。此外,应用软玻璃流变学模型,可以获得两种模量的缩放指数。开发的方法允许探索红细胞的机械行为,表征其粘弹性参数,在明确定义的实验条件下获得,用于几种生理和病理条件。
成熟的红细胞(RBC),也称为红细胞,在通过人体最窄的毛细血管时能够延长其大小的两倍以上1。这种能力归因于它们在承受外部载荷时独特的变形能力。
近年来,不同的研究在红细胞表面表征了这一特征2,3。描述材料在外部载荷下的弹性和粘性响应的物理领域称为流变学。通常,当施加外力时,产生的变形取决于材料的性质,可分为存储能量的弹性变形或耗散能量的粘性变形4。所有细胞,包括红细胞,都表现出粘弹性行为;换句话说,能量既被储存又被耗散。因此,电池的粘弹性响应可以通过其复剪切模量 G*(ω) = G'(ω) + iG"(ω) 来表征,其中 G' (ω) 是与其弹性行为相关的存储模量,G"(ω) 是与其粘度相关的损耗模量4.此外,现象学模型已被用于描述细胞响应,其中最常用的一种称为软玻璃流变模型5,其特征在于复剪切模量随负载频率的幂律依赖性。
基于单细胞的方法已被采用来表征红细胞的粘弹性,通过施加力和测量位移作为施加载荷的函数2,3。然而,对于复杂的剪切模量,在文献中找不到的结果很少。使用动态光散射,报告的RBC存储和损耗模量值在0.01-1 Pa之间变化,频率范围为1-100 Hz6。通过使用光学磁扭曲细胞术,获得了明显的复合弹性模量7,并且为了比较目的,声称乘法因子可能澄清差异。
最近,建立了一种基于光学镊子(OT)和散焦显微镜(DM)的新方法,作为定量绘制人红细胞在时间依赖性负荷下的剪切模量的存储和损失的集成工具8,9。此外,使用软玻璃流变模型来拟合结果并获得表征红细胞8,9的幂律系数。
总体而言,开发的方法8,9(其协议将在下面详细描述)通过使用形状因子F f的测量值来阐明以前的差异,该测量值将力和变形与RBC表面的应力和应变相关联,并且可以用作一种新的诊断方法,能够定量确定从具有不同血液的个体获得的红细胞的粘弹性参数和软玻璃状特征病症。使用下面描述的方案进行这种表征,可能会为从机械生物学角度理解红细胞的行为开辟新的可能性。
人类血液样本由成年男性和女性志愿者根据里约热内卢联邦大学研究伦理委员会批准的协议(协议2.889.952)提供,并在巴西平台注册,CAAE编号为88140418.5.0000.5699。向所有志愿者发出书面同意书,并从所有志愿者那里收集了同意书。患有任何血红蛋白病和/或服用受控药物的人被排除在外。整个过程遵循研究所伦理委员会批准的指导方针。
1. 样品架的制备
2. 细胞培养
注意:以下步骤描述了如何从人体血液中获取健康的红细胞。重要的是,在每次实验之前新鲜制备样品。
3. 光学镊子显微镜设置
注意:OT是使用高度聚焦的激光束来捕获微观物体并测量皮克顿范围内的力和纳米尺度的位移的工具。使用的OT激光器(1064nm波长)必须正确对准,如前所述10。
4. DM设置
注意:DM是一种基于明场的光学显微镜技术,如果显微镜略微散焦,则透明物体可见11,12。这种技术已被应用于获得红细胞形状13。用于OT系统的相同显微镜可用于DM,通过3D重建获得高度轮廓。
5. 基于OT的流变实验与分析
注意:流变学实验包括观察细胞对不同频率的小振荡的反应。
6. DM实验和分析,以获得整体电池外形尺寸
7. 软玻璃流变模型及实验分析
图 1 显示了用于流变测量的 OT 系统的原理图。图2显示了两个球体的微流变学实验示意图,还显示了代表性的RBC。图3显示了两个球体振幅随时间变化的典型曲线,当正弦运动由压电级产生时。当参考球体(图3 - 红色曲线)随着载物台移动而振荡时,RBC球体(图3 - 蓝色曲线)以不同的?...
在该协议中,提出了一种基于光学镊子和散焦显微镜的集成方法,以定量映射RBC的粘弹性。 确定存储和损失剪切模量的结果,以及表征RBC软玻璃流变学的缩放指数。该协议应用于不同的实验条件,例如在生理情况8 或沿着 恶性疟原虫 红细胞内循环9 的每个阶段已经进行。
文献中的参考文献指出了红细胞流变学的差异,部分归因于在?...
作者对本手稿中描述的产品没有经济利益,也没有其他信息要披露。
作者要感谢CENABIO高级显微镜设施的所有成员提供的所有重要帮助。这项工作得到了巴西国家科学和技术发展委员会(CNPq)、高级财政编码001、里约热内卢国家宪法权利保护令基金会(FAPERJ)和圣保罗国家宪法权利保护基金会(FAPESP)的支持。B.P.得到了FAPERJ的JCNE资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
35mm culture dishes | Corning | 430165 | |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A9418 | |
Coverslips | Knittel Glass | VD12460Y1A.01 and VD12432Y1A.01 | |
Glass-bottom dishes | MatTek Life Sciences | P35G-0-10-C | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
ImageJ | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
Immersion oil | Nikon | MXA22165 | |
Inverted microscope | Nikon | Eclipse TE300 | |
KaleidaGraph | Synergy Software | https://www.synergy.com/ | |
KCl | Sigma-Aldrich | P5405 | |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | |
Microscope camera | Hamamatsu | C11440-10C | |
Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | S5136 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S5886 | |
Neubauer chamber | Sigma-Aldrich | BR717805-1EA | |
Objective lens | Nikon | PLAN APO 100X 1.4 NA DIC H; PLAN APO 60x 1.4 NA DIC H and Plan APO 10x XXNA PH2 | |
Optical table | Thorlabs | T1020CK | |
OT laser | IPG Photonics | YLR-5-1064-LP | |
Polystyrene microspheres | Polysciences | 17134-15 | |
rubber ring | Forever Seals | NBR O-Ring | |
Silicone grease | Dow Corning | Z273554 | |
Stage positioning | PI | P-545.3R8S | |
Pipette | Gilson | P1000 |
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