ניתוח כמותי של תכונות ויסקו-אלסטיות של תאי דם אדומים באמצעות פינצטה אופטית ומיקרוסקופ defocus

Summary

כאן, פרוטוקול משולב המבוסס על פינצטה אופטית ומיקרוסקופ defocus מתואר כדי למדוד את התכונות הריאולוגיות של תאים. פרוטוקול זה יש ישימות רחבה בחקר התכונות viscoelastic של אריתרוציטים בתנאים פיזיולוגיים-פתולוגיים משתנים.

Abstract

התכונות viscoelastic של אריתרוציטים נחקרו על ידי מגוון של טכניקות. עם זאת, נתוני הניסוי המדווחים משתנים. זה לא מיוחס רק לשונות הרגילה של תאים, אלא גם להבדלים בשיטות ובמודלים של תגובת התא. כאן, פרוטוקול משולב באמצעות פינצטה אופטית ומיקרוסקופ defocus משמש כדי לקבל את התכונות הריאולוגיות של תאי דם אדומים בטווח התדרים של 1 הרץ עד 35 הרץ. בעוד פינצטה אופטית משמשת למדידת הקבוע האלסטי המורכב על ידי אריתרוציטים, מיקרוסקופ defocus מסוגל לקבל את פרופיל גובה התא, נפחו וגורם הצורה שלו פרמטר המאפשר המרה של קבוע אלסטי מורכב למודולוס גזירה מורכב. יתר על כן, יישום מודל ריאולוגיה זכוכית רכה, מעריך קנה המידה עבור שני מודולי ניתן להשיג. המתודולוגיה שפותחה מאפשרת לחקור את ההתנהגות המכנית של תאי הדם האדומים, המאפיינת את הפרמטרים הוויסקו-אלסטיים שלהם, המתקבלים בתנאי ניסוי מוגדרים היטב, עבור מספר תנאים פיזיולוגיים ופתולוגיים.

Introduction

תאי דם אדומים בוגרים (RBCs), הידועים גם בשם אריתרוציטים, מסוגלים להרחיב יותר מפי שניים מגודלם כאשר עוברים דרך הנימים הצרים ביותר של גוף האדם¹. יכולת זו מיוחסת ליכולתם הייחודית להתעוות כאשר הם נתונים לעומסים חיצוניים.

בשנים האחרונות, מחקרים שונים אפיינו תכונה זו במשטחי RBC ^2,3. תחום הפיזיקה המתאר את התגובות האלסטיות והצמיגיות של חומרים עקב עומסים חיצוניים נקרא ריאולוגיה. באופן כללי, כאשר מופעל כוח חיצוני, העיוות המתקבל תלוי בתכונות החומר וניתן לחלק אותו לעיוותים אלסטיים, האוגרים אנרגיה, או עיוותים צמיגיים, המפזרים אנרגיה⁴. כל התאים, כולל RBCs, מפגינים התנהגות ויסקו-אלסטית; במילים אחרות, האנרגיה נאגרת ומתפזרת. התגובה הוויסקו-אלסטית של התא יכולה אפוא להיות מאופיינת על ידי מודולוס הגזירה המורכב שלו G*(ω) = G'(ω) + iG"(ω), כאשר G' (ω) הוא מודולוס האחסון, הקשור להתנהגות האלסטית, ו-G" (ω) הוא מודולוס ההפסד, הקשור לצמיגותו⁴. יתר על כן, מודלים פנומנולוגיים שימשו לתיאור תגובות התא, אחד הנפוצים ביותר נקרא מודל ריאולוגיה זכוכית רכה⁵, המאופיין בתלות חוק כוח של מודולוס הגזירה המורכב עם תדירות העומס.

שיטות מבוססות תא בודד שימשו כדי לאפיין את התכונות הוויסקו-אלסטיות של RBCs, על ידי הפעלת כוח ומדידת תזוזה כפונקציה של העומס המוטל ^2,3. עם זאת, עבור מודולוס הגזירה המורכב, ניתן למצוא תוצאות מעטות בספרות. באמצעות פיזור אור דינמי, דווח על ערכים עבור מודולי אחסון ואובדן RBC הנעים בין 0.01-1 Pa, בתחום התדרים של 1-100 הרץ⁶. על ידי שימוש בציטומטריה אופטית מעוותת מגנטית, התקבל מודולוס אלסטי מורכב לכאורה⁷, ולצורך השוואה נטען כי גורם כפל עשוי להבהיר את אי ההתאמות.

לאחרונה, מתודולוגיה חדשה המבוססת על פינצטה אופטית (OT) יחד עם מיקרוסקופ defocus (DM), ככלי משולב למיפוי כמותי של אחסון ואובדן מודולי גזירה של אריתרוציטים אנושיים על עומסים תלויי זמן, הוקמה ^8,9. בנוסף, נעשה שימוש במודל ריאולוגיה רכה וזגוגית כדי להתאים את התוצאות ולקבל מקדם חוק כוח המאפיין את RBCs ^8,9.

בסך הכל, המתודולוגיה המפותחת^8,9, שהפרוטוקול עבורה מתואר בפירוט להלן, מבהירה אי-התאמות קודמות באמצעות הערכים הנמדדים עבור גורם הצורה, F_f^, המקשר כוחות ועיוותים ללחצים ומתחים בפני השטח של RBC וניתן להשתמש בו כשיטת אבחון חדשנית המסוגלת לקבוע כמותית את הפרמטרים הוויסקו-אלסטיים ואת תכונות הזכוכית הרכה של RBCs המתקבלים מאנשים עם דם שונה פתולוגיות. אפיון כזה, תוך שימוש בפרוטוקול המתואר להלן, עשוי לפתוח אפשרויות חדשות להבנת התנהגותם של RBCs מנקודת מבט מכנוביולוגית.