Évolution de la surface et du module de cisaillement membranaire des globules rouges humains matures au cours de la fatigue mécanique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8563 (2023) Citer cet article

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Les propriétés mécaniques des globules rouges (RBC) changent au cours de leur sénescence, ce qui prend en charge de nombreux processus physiologiques ou pathologiques dans les systèmes circulatoires en fournissant des environnements mécaniques cellulaires cruciaux de l'hémodynamique. Cependant, les études quantitatives sur le vieillissement et les variations des propriétés des GR font largement défaut. Ici, nous étudions les changements morphologiques, le ramollissement ou le raidissement des globules rouges uniques au cours du vieillissement à l'aide d'un modèle de fatigue mécanique in vitro. À l'aide d'un système microfluidique avec des microtubes, les globules rouges sont soumis à plusieurs reprises à un étirement et à une relaxation lorsqu'ils entrent et sortent d'une région de contraction soudaine. Les paramètres géométriques et les propriétés mécaniques des globules rouges humains sains sont caractérisés systématiquement à chaque cycle de chargement mécanique. Nos résultats expérimentaux identifient trois transformations de forme typiques des globules rouges au cours de la fatigue mécanique, qui sont toutes fortement associées à la perte de surface. Nous avons construit des modèles mathématiques pour l'évolution de la surface et du module de cisaillement de la membrane des globules rouges uniques pendant la fatigue mécanique, et développé quantitativement un paramètre d'ensemble pour évaluer l'état de vieillissement des globules rouges. Cette étude fournit non seulement un nouveau modèle de fatigue in vitro pour étudier le comportement mécanique des globules rouges, mais également un indice étroitement lié à l'âge et aux propriétés physiques inhérentes pour une différenciation quantitative des globules rouges individuels.

Chez les mammifères, les globules rouges (RBC) sont parmi les cellules les plus importantes pour maintenir les conditions de vie tout en voyageant continuellement à travers différentes tailles de vaisseaux circulatoires et des espaces étroits. Au cours de la durée de vie typique de 120 jours d'un globule rouge humain, il modifie les propriétés géométriques et mécaniques avec le vieillissement cellulaire1,2,3 et présente des phénotypes biophysiques pour le diagnostic de diverses maladies4,5. Différent de la sénescence des cellules nucléées, les globules rouges n'ont pas de noyau et présentent donc une régulation unique du vieillissement cellulaire. Alors que les globules rouges se faufilent à plusieurs reprises à travers la microvasculature et les fentes interendothéliales spléniques submicroniques (IES) et traversent la macro-vasculature, ils subissent un cycle mécanique important grâce à un étirement et une relaxation élastiques importants6. Parmi l'une des questions les plus importantes pour la biologie des globules rouges, l'effet de la fatigue mécanique sur la sénescence des globules rouges n'a pas été abordé quantitativement.

Au cours du vieillissement cellulaire, les globules rouges perdent partiellement leurs membranes, entraînant un changement de leur morphologie d'une forme de coupe à une forme stable discoïde biconcave7. Les globules rouges conservent leurs formes cellulaires optimales pendant les circulations à long terme en générant des microvésicules8,9 et en régulant le volume cellulaire10 pour éliminer les dommages cellulaires, y compris les dommages membranaires dus à la fatigue mécanique et au stress oxydatif3. L'analyse des caractéristiques physiques comparant les globules rouges jeunes et âgés1,2,11 utilise un marquage isotopique, biotine ou hémoglobine glyquée (HbA1c) comme marqueurs de l'âge cellulaire11,12 et soutient que le volume et la surface diminuent de manière monotone avec le vieillissement cellulaire. Mais les observations sur le changement du module de cisaillement de la membrane au cours du vieillissement cellulaire ne sont pas cohérentes que Sutera et al.13 ont observé une augmentation significative du module d'élasticité de la membrane des globules rouges au cours du vieillissement cellulaire in vivo, tandis que Li et al.14 ont déclaré que les réticulocytes sont plus rigides que les érythrocytes matures.

En raison de l'absence de noyau et d'ARNm, les globules rouges répondent principalement à leur microenvironnement mécanique de manière passive. Par conséquent, la soumission des globules rouges à des stimulations mécaniques au cours de leur durée de vie est sans doute importante. Il a été remarqué que la charge mécanique dans la rate joue un rôle crucial dans la biologie des globules rouges. La structure IES spécifique de la rate facilite non seulement la maturation par l'élimination des organites réticulocytaires15, mais contribue également à l'altération du module de cisaillement membranaire, à la transition de forme5,7,15 et à l'élimination des globules rouges âgés ou malades15,16,17. Ici, les flux spléniques avec des globules rouges se serrant à travers un IES d'une longueur typique de 0,65 μm et d'une hauteur de 2 à 3 μm sont des caractéristiques cruciales de leur vésiculation, car la densité des connexions squelette-membrane est vulnérable à la réduction sous un cycle mécanique avec des fentes extrêmement étroites18. Ceci est étayé par la découverte qu'une plus grande perte d'hémoglobine apparaît dans les vésicules de la vésiculation des globules rouges d'individus atteints de troubles spléniques par rapport à ceux d'individus sains in vivo19. De plus, dans les troubles sanguins tels que la sphérocytose héréditaire, le taux de perte de surface dans les globules rouges augmente sous la charge cyclique splénique en raison de l'affaiblissement de la cohésion entre la bicouche lipidique et le cytosquelette17. Par conséquent, le cycle mécanique à travers les vaisseaux microcapillaires et les lumières étroites en tant que routine standard de stimulations mécaniques pendant la durée de vie des globules rouges implique un principe mécanique sous-jacent pour leur maturation et leur vieillissement. Par conséquent, une enquête plus approfondie est nécessaire pour comprendre l'évolution quantitative de la surface et du module de cisaillement de la membrane des globules rouges simples avec un cycle mécanique, en relation avec le processus de vieillissement des globules rouges.

Des études récentes sur les modifications des propriétés mécaniques des globules rouges ont adopté le cycle mécanique comme charges typiques pour accélérer le vieillissement cellulaire in vitro, et divers modèles de ce type ont été testés. Un modèle simple utilisait des micro-canaux rectangulaires avec une section transversale de \(3\fois 4\) μm2, où la réduction de la déformabilité des globules rouges simples était approximativement estimée à l'aide du paramètre de Taylor20. Des canaux imitant les IES fabriqués avec des technologies microfluidiques ont été mis en place pour les globules rouges en circulation, et les variations des profils de globules rouges et leur déformabilité ont été évaluées21. L'électrodéformation modulée en amplitude a également été utilisée pour la stimulation mécanique répétée des globules rouges afin d'étudier leur fatigue mécanique sous hypoxie et déplétion en ATP22,23,24. Pour caractériser les caractéristiques géométriques des cellules (telles que leur taille, leur surface et leur volume) précisément et séparément de leurs propriétés mécaniques (telles que le module de cisaillement de la membrane) au cours du processus de cyclage mécanique, des modèles plus appropriés doivent être établis.

Pour mesurer les variations des caractéristiques géométriques et des rigidités membranaires des globules rouges uniques au cours de leur cycle mécanique, nous proposons une méthode microfluidique pour simuler le cyclage mécanique des globules rouges uniques. Un microtube d'un diamètre intérieur d'environ 3 μm a été relié à un système hydraulique à contrôle de pression réversible. Les globules rouges sont pressés dans et hors des contractions soudaines d'un réservoir à travers le microtube, où les globules rouges ont subi des conditions de fatigue de restriction similaires à celles d'une fente splénique. Les caractéristiques morphologiques (globules rouges en forme de coupe et de forme biconcave principalement), les paramètres géométriques (surface, volume) et les propriétés mécaniques (module de cisaillement membranaire) des globules rouges humains sains, sont mesurés avec précision et enregistrés instantanément à chaque cycle mécanique de la cellule. Avec la présente méthode, nous avons observé la perte de surface au cours du cycle et identifié distinctement trois transitions de forme typiques des globules rouges sous fatigue. Nous avons développé des modèles mathématiques pour étudier l'évolution de la surface et du module de cisaillement des globules rouges individuels au cours du cyclage mécanique. Ces modèles fournissent des informations sur les mécanismes sous-jacents au processus de vieillissement des globules rouges, caractérisé par une perte de surface et des variations de rigidité. De plus, nous avons défini un paramètre d'ensemble comme un nouveau marqueur biophysique pour évaluer l'état de santé des globules rouges individuels au niveau cellulaire. Ce paramètre a le potentiel d'être utilisé dans la pratique clinique pour le diagnostic des maladies liées aux GR.

Nous avons développé un modèle in vitro de cycle mécanique de RBC unique (Fig. 1a). Contrairement aux modèles précédents utilisant la microfluidique, qui consistent en un canal convergent-divergent avec une région de transition douce dans les sections transversales20, ou utilisent une charge de traction cyclique sur un GR adhérent avec des champs électriques d'électrode modulée en amplitude22, un canal tubulaire d'environ 3,0 à 3,2 µm de diamètre est immergé dans une grande chambre avec une suspension de GR. Les pressions motrices des flux dans le canal sont commutables entre deux pressions hydrostatiques différentes supérieures ou inférieures à la pression à l'intérieur de la chambre en reliant le canal tubulaire à deux colonnes de liquide à des hauteurs différentes à travers une électrovanne à trois voies (Fig. 1a). En contrôlant la pression dans le canal avec un programme compilé, les globules rouges simples subissent une contraction soudaine suivie d'une expansion et d'une relaxation (Fig. 1b) de manière répétée pendant qu'ils sont aspirés ou expulsés du microcanal avec des écoulements de fluide sous des pressions hydrauliques. Avec ce modèle de cycle mécanique in vitro pour les globules rouges simples, nous avons pu non seulement imiter le processus de fatigue mécanique le plus sévère des globules rouges in vivo, mais également mesurer les variations de la surface, du volume et du module de cisaillement de la membrane de chaque globule rouge au cours de chaque cycle de cycle.

Modèle de cycle mécanique in vitro de globules rouges simples utilisant des canaux microtubulaires. (a) Montage expérimental. Un canal tubulaire immergé dans une grande chambre est relié à deux sources de pression hydrostatique différentes par l'intermédiaire d'une électrovanne. Des images des cellules sont acquises et enregistrées avec une caméra CMOS montée sur le microscope. Le système expérimental est contrôlé par un programme informatique. La région d'intérêt pour la mesure dynamique est la région en mouvement régulier de la cellule déformée. ( b ) Images séquentielles d'un RBC se pressant dans et étant poussé hors d'un microtube sous contraction et expansion soudaines. La partie supérieure représente le processus d'aspiration et la partie inférieure représente la décharge et la relaxation des globules rouges. La barre d'échelle est de 10 μm. ( c ) Compression RBC simulée dans et hors du microcanal avec un diamètre intérieur de 3 μm. Les couleurs indiquent les contours de la densité de force membranaire sur la membrane déformée lors du cyclage mécanique. ( d ) Distributions de la densité de force membranaire le long de la membrane déformée pendant le cyclage mécanique.

Le diamètre du canal tubulaire est optimisé pour se situer dans la plage de 3,0 à 3,2 µm pour imiter la taille caractéristique des plus petites capillaires de la microcirculation ou de l'IES dans la rate et mesurer la surface, le volume cellulaire et le module de cisaillement de la membrane du RBC unique précisément pendant chaque cycle de fatigue mécanique. Le nombre de Reynolds des globules rouges dans le microtube était d'environ 0,02. En utilisant les images de chaque cellule individuelle régulièrement déformée et se déplaçant dans des microtubes sous pression négative pendant l'aspiration du cycle, et en supposant que les globules rouges déformés sous un flux à faible nombre de Reynolds dans la région en mouvement constant étaient axisymétriques, la surface et le volume des globules rouges ont été intégrés à partir des segmentations discrétisées du profil cellulaire déformé, c'est-à-dire que la surface (A) et le volume (V) ont été pris comme la somme des surfaces et des volumes des cônes élémentaires, respectivement. Nous avons effectué des expériences de comparaison un à un sur de nombreux globules rouges en mesurant leurs surfaces, volumes et modules de cisaillement de la membrane en utilisant à la fois la méthode microfluidique proposée et la méthode d'aspiration par micropipette. Tout d'abord, une cellule a été aspirée dans un microtube jusqu'à ce que les profils déformés de la cellule dans la région à l'état d'équilibre soient enregistrés. Deuxièmement, en modifiant la différence de pression, le RBC a été éjecté du microtube dans la chambre. Troisièmement, le même RBC a été aspiré à l'aide d'une pipette de 1,8 μm, et la surface, le volume cellulaire et le module élastique de cisaillement de la membrane du RBC ont été mesurés. Nous avons constaté qu'en utilisant des canaux tubulaires d'un diamètre compris entre 3,0 et 3,2 µm, les erreurs de A et V sont inférieures à 2 % et 9 %, respectivement, par rapport à l'utilisation d'une méthode d'aspiration par micropipette standard. Nous avons également calculé la longueur de la cellule régulièrement déformée (L) et la vitesse de mouvement de la cellule (\({u}_{c}\)) en utilisant les images séquentielles de la cellule régulièrement déformée se déplaçant à travers des microtubes. Avec le diamètre du tube (D) et la vitesse du fluide à l'intérieur du canal sous la même pression négative mais sans cellules (\({u}_{0}\)), nous avons utilisé une méthode d'apprentissage automatique pour prédire le module de cisaillement élastique de la membrane des globules rouges (\({E}_{s}\)). Dans cette étude, nous avons utilisé une méthode de réseau neuronal formée avec un algorithme de rétropropagation (BP), où un réseau BP à trois couches a été adopté pour extraire le module de cisaillement des paramètres géométriques et dynamiques observés dans les expériences.

Dans la présente étude, des images séquentielles de chaque GR déformé au cours du cycle mécanique sont acquises sous microscopie à fond clair à l'aide d'un objectif 60 × (super apochromate U Plan; ouverture numérique 60 × 1, 35 NA) avec un double miroir et enregistrées à l'aide d'une caméra CMOS (Phantom 410L, Vision Research), comme indiqué sur les Fig. 1a, b. La caméra fonctionne à 200 images par seconde (fps) avec un temps d'exposition de 1 ms et une résolution d'imagerie de 250 nm, avec une taille de pixel de 0,167 μm. Un canal tubulaire d'un diamètre intérieur compris entre 3, 0 et 3, 2 µm a été fabriqué par un extracteur de pipette (P-97, Sutter Instrument) et une microforge (Narishige, MF-830), et rempli d'une solution de BSA-PBS à 1% avant utilisation. Un micromanipulateur (Eppendorf, TransferMan 4r) a été utilisé pour maintenir et déplacer le canal précisément au niveau du nanomètre. Une chambre d'une épaisseur de 2 mm et d'une longueur et d'une largeur centimétriques a été préparée et placée sur la platine d'un microscope inversé (Olympus, IX73) comme réservoir de suspensions diluées de globules rouges. Les parties supérieure et inférieure de la chambre étaient des lamelles de 0,16 mm d'épaisseur et du silicone durci (PDMS, polydiméthylsiloxane) est utilisé comme structure de support des deux côtés de la lamelle en bas. La chambre était remplie de globules rouges en suspension dans du PBS et la fraction volumique de globules rouges était d'environ 0,01 %. Sous la tension superficielle du liquide, le liquide peut être stocké de manière stable dans la chambre. La chambre était fermée au-dessus et au-dessous, et seules de petites zones latérales étaient exposées à l'air. La structure semi-fermée empêche l'évaporation et la modification de la teneur en protéines.

Le cyclage mécanique des globules rouges a été réalisé en connectant d'abord le canal tubulaire à une pression négative (Pn = - 847 Pa) après avoir approché un seul globule rouge avec un micromanipulateur. Alors qu'une cellule était aspirée et traversait le microtube, la pression négative était maintenue pendant 6 s, de sorte qu'un profil régulièrement déformé du RBC dans le tube se forme après la contraction soudaine de la chambre au microtube (Fig. 1b). Deuxièmement, nous avons commuté la vanne à trois voies pour faire passer la pression hydraulique dans le microtube de la pression négative à une pression positive (Pp = 480 Pa), et la pression a été maintenue pendant 12 s, au cours desquelles le RBC régulièrement déformé a été renvoyé dans la chambre à partir du microtube après l'expansion soudaine (Fig. 1b). Après avoir été éjectés du microtube, les globules rouges mettent du temps à récupérer d'une forme déformée à un profil sans contrainte, tout en amortissant l'énergie de déformation par l'effet visqueux du liquide environnant (Fig. 1b). Au cours d'un tour complet de 18 s dans le modèle de cyclisme mécanique actuel, chaque RBC prend environ 2 s dans la région d'entrée du tube pour l'aspiration, ~ 4 s pour se déformer et se déplacer régulièrement dans le microtube, ~ 4 s pour être éjecté dans la chambre du tube, et environ 8 s pour récupérer avant le prochain tour de vélo. Dans nos expériences, le gradient de pression est d'environ 1 Pa/μm et similaire à l'état physiologique de l'IES. La vitesse RBC dans le microcapillaire est d'environ 500 μm/s et est similaire à la vitesse réelle dans les capillaires.

Des simulations numériques pour un seul RBC se pressant dans et sortant d'un microtube de 3 \(\mathrm{\mu m}\) de diamètre illustrent les distributions de contraintes membranaires pendant le cycle mécanique (Fig. 1c, d) en utilisant les méthodes des limites immergées décrites dans Wang et al.25 et Jing et al.26. Soit en passant à travers une fente splénique in vivo, soit à travers un microtube in vitro, les membranes des globules rouges subissent un cycle de variation de contrainte de la tête à la queue entièrement, comme le montrent les résultats de simulation de la figure 1d. Près de l'entrée de la fente ou du tube (où s = 0 sur la Fig. 1d), le gradient de répartition des contraintes le long de la membrane est souvent le plus important, tandis que la contrainte sur la membrane à la tête ou à la queue de la cellule déformée est la plus concentrée, comme illustré sur la Fig. 1c. Bien que les membranes des globules rouges subissent deux fois les variations de contrainte en une seule fois du cycle en utilisant le modèle de fatigue actuel pendant que les cellules aspirent et poussent les microtubes en comparaison avec celle d'une cellule traversant l'IES de manière unidirectionnelle, aucune contrainte supplémentaire ou différente sur la membrane cellulaire n'est créée, car les distributions de contrainte membranaire lors de l'aspiration ou de la poussée des cellules sont presque identiques avec des différences négligeables entre les extrémités avant et arrière, comme le montrent quantitativement les simulations numériques. Les globules rouges sont attirés dans le microtubule à plusieurs reprises dans différentes directions de manière aléatoire au cours de leur cycle, ce qui signifie que tout défaut de la membrane peut réagir au processus de stress de manière aléatoire.

Par rapport à d'autres dispositifs microfluidiques20, la principale différence est que la répartition des contraintes sur la membrane de la cellule testée est axisymétrique à l'aide de microtubes. Les chercheurs ignorent souvent qu'en utilisant une microfluidique conventionnelle avec un canal rectangulaire, le stress sur la membrane cellulaire près des quatre coins de la section transversale du canal présente des concentrations de stress importantes, en particulier lorsqu'une fente étroite est définie pour le passage d'une cellule, ce qui peut introduire une concentration de stress supplémentaire près du coin des canaux rectangulaires. L'un des principaux avantages de l'utilisation de la configuration actuelle avec des microtubes au lieu de microfluidiques avec des canaux rectangulaires est que la voie de la cellule testée est simple à l'entrée du microtube, de sorte que le gradient de pression à cette ouverture cruciale peut être fixé avec précision à environ 1 Pa/μm et similaire à l'état physiologique de l'IES. atteindre les fentes cruciales. Un autre avantage de l'utilisation des microtubes est que nous pourrions mesurer avec précision la surface et le volume des globules rouges au cours de chaque cycle de fatigue sur la base d'images des cellules déformées sous des hypothèses axisymétriques.

Les limites du modèle in vitro simple actuel incluent que sous la forte lumière pour la visualisation sous microscopie, les propriétés mécaniques des globules rouges pourraient changer considérablement après 2 h d'expériences en raison des effets thermiques de la chambre et de l'épuisement de l'ATP. Il convient de noter que les quelque 200 cycles de notre modèle ne suffisent pas à reproduire entièrement l'ensemble du processus de vieillissement des globules rouges. Néanmoins, notre modèle peut évaluer les principales caractéristiques des changements de propriétés mécaniques au cours des premières étapes de la sénescence des globules rouges.

Pour mesurer les paramètres cellulaires, la méthode de soustraction de fond a été utilisée pour identifier les contours RBC. Une image du microtube sans cellules mobiles a été sélectionnée comme image de fond. Le traitement de seuil a été utilisé pour supprimer le bruit qui restait dans la région de fond stationnaire, ce qui n'était pas pertinent pour détecter les cibles en mouvement. La longueur de la cellule régulièrement déformée (L) a été calculée par les contours RBC et la vitesse de la cellule (\({u}_{c}\)) a été calculée comme le déplacement des centres des cellules au fil du temps.

Nous avons supposé que les globules rouges déformés sous le flux à faible nombre de Reynolds dans la région de l'état d'équilibre étaient axisymétriques. En conséquence, la surface et le volume des globules rouges ont été déterminés en fonction des contours cellulaires ; c'est-à-dire que la surface (A) et le volume (V) étaient les sommes des surfaces et des volumes des cônes élémentaires, respectivement, comme suit :

où \({D}_{left}\) et \({D}_{right}\) sont les diamètres des troncs sur les côtés gauche et droit, respectivement, et \(h\) est l'épaisseur du cône tronqué discrétisé.

Le sang de volontaires adultes en bonne santé âgés en moyenne de 27 ans (entre 23 et 31 ans) a été prélevé par piqûre au doigt avec consentement éclairé. Le sang a été dilué au 1:2000 (environ 2 millions de globules rouges par millilitre) dans un tampon salin phosphate (PBS ; sans CaCl2, sans MgCl2 ; pH 7,4 ; Gibco™) contenant 1 % (p/v) d'albumine de sérum bovin (BSA ; Sigma–Aldrich) pour empêcher l'adhérence à d'autres cellules et parois de l'appareil. Tous les échantillons de sang ont été stockés à 4 ° C avant l'expérience et testés dans les 12 h suivant le prélèvement de l'échantillon du doigt.

Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations pertinentes et le consentement éclairé a été obtenu de tous les participants. Toutes les expériences ont été approuvées à l'avance par le comité d'éthique de la science et de la technologie de l'Université Jiao Tong de Shanghai.

Les globules rouges ont été suivis individuellement en fonction du nombre de cycles de chargement au cours des expériences. Les analyses statistiques ont été réalisées à l'aide du logiciel SPSS (IBM SPSS Statistics 22, USA) ; Les valeurs de p et le coefficient de corrélation r ont été calculés par des tests de corrélation de Pearson bilatéraux entre différents paramètres physiques de la même cellule et des cycles de chargement. Des analyses de corrélation linéaire univariée ont été effectuées pour tester les associations univariées des paramètres physiques et des cycles de chargement, et les valeurs de p inférieures à 0,05 ont été considérées comme statistiquement significatives.

Dans les données expérimentales actuelles obtenues, les globules rouges provenaient du sang du bout des doigts de plusieurs donneurs adultes en bonne santé. Au microscope, nous avons constaté que les globules rouges de forme biconcave discoïde constituaient la plus grande partie et que les cellules en forme de coupe constituaient la quasi-totalité de la partie restante, tandis que les globules rouges de forme rare tels que les acanthocytes sont à peine présents. Les pourcentages moyens de globules rouges en forme biconcave et cupule sont respectivement de 68,3 % et 31,7 %. Comme le nombre de cellules en forme de coupe est beaucoup plus grand que le nombre de réticulocytes d'un donneur sain, qui est généralement de l'ordre de 0,2 à 2 % de tous les globules rouges dans un état normal, nous considérons les globules rouges en forme de coupe principalement comme des érythrocytes matures avec un rapport surface/volume un peu plus grand que les globules rouges en forme de biconcave discoïde. Le présent modèle de cycle mécanique simule la fatigue mécanique et permet l'observation de transitions de formes stables entre les globules rouges en forme de coupe et en forme de biconcave in vitro (Fig. 2). Sur la base des formes initiales et des morphologies stables obtenues après quelques centaines de cycles de cycles mécaniques, les transformations de forme des globules rouges sont classées en trois catégories. Il s'agit de la transformation de la forme de coupe en forme de coupe (notée C – C) dans laquelle les globules rouges conservent leur forme de coupe pendant le cycle mécanique, mais la hauteur de la concavité diminue progressivement avec la diminution de la surface ; la transformation de discocyte en forme de coupe en discocyte biconcave (C – D) dans lequel les profils des globules rouges passent initialement de la forme en coupe à la forme biconcave, et la transformation de discocyte en discocyte (D – D) dans laquelle les globules rouges conservent la forme biconcave discoïde mais la sphéricité cellulaire augmente régulièrement avec une diminution de la surface cellulaire.

Transitions de forme typiques des globules rouges pendant le cyclage mécanique. Les images illustrent la transformation de forme d'un seul RBC avec des cycles de chargement (n = 0, n \(\approx\) 80, n \(\approx\) 160). Dans la séquence C-C, la forme conserve une forme de coupe (supérieure, vue en plan ; inférieure, vue latérale). Dans la séquence C – D, la forme conserve un style de coupe au numéro de cycle n = 0 et autour de 80 (n \(\approx\) 80), mais se transforme en biconcave lorsque n approche le cycle n \(\approx\) 160 (supérieur, vue en plan ; inférieur, vue latérale). Dans la séquence D – D, la forme conserve une forme biconcave (supérieure, vue en plan ; inférieure, vue latérale). Barre d'échelle, 5 µm.

Étant donné que les cellules en forme de coupe ont en moyenne un rapport surface / volume plus grand que celles en forme de biconcave discoïde et que la surface des globules rouges diminue souvent de manière monotone au cours du vieillissement des globules rouges2, les données expérimentales actuelles de nos tests de fatigue mécanique in vitro suggèrent que la fatigue mécanique induit des transitions de forme unidirectionnelles de la forme de la coupe à la forme biconcave au cours du processus de vieillissement. Les globules rouges du groupe D – D ont la plus grande partie parmi tous les globules rouges prélevés sur des individus en bonne santé.

Les propriétés mécaniques de chaque GR, y compris la surface (A), le volume (V) et le module de cisaillement de la membrane (\({E}_{s}\)) ont été déduites et enregistrées pour chaque cycle au cours du cycle mécanique. Comme le montre la Fig. 3, la surface cellulaire (Fig. 3a) et le volume (Fig. 3b) diminuent de manière linéaire avec le temps de cycle. En utilisant le taux de gonflement défini comme \(\mathrm{Sw}=3\mathrm{V}/4\pi {R}^{3}\), où \(\mathrm{R}=\sqrt{A/4\pi }\) pour la sphéricité cellulaire (c'est-à-dire \(\mathrm{Sw}=1.0\) pour une sphère et \(\mathrm{Sw}=0.64\) pour un globule rouge sain typique avec biconcave discoïde profil), la figure 3c indique que les globules rouges ont tendance à s'arrondir avec la réduction de la surface au cours du cycle mécanique, tandis que le changement du volume cellulaire à la surface (dV / dA) est maintenu constant (figure 3d). La vésiculation est la principale manifestation de la perte de membrane au cours du vieillissement cellulaire8,27. Les vésicules libérées ont généralement une taille de 50 à 100 nm et apparaissent sous forme de particules sphériques en raison de l'effet de tension superficielle. L'encart de la Fig. 3d montre des références pour le changement de volume à la perte de surface que si les globules rouges perdaient du volume cellulaire uniquement par les vésicules sphériques d'un diamètre de 0, 05 μm ou 1, 0 μm pendant le cycle, la relation du volume à la surface après la perte de vésicules doit être parallèle aux lignes marquées respectivement de 0, 05 μm ou 1, 0 μm. Par rapport à la pente du volume à la surface de la Fig. 3d, la perte de volume d'un globule rouge au cours du cycle mécanique est nettement supérieure à celle encapsulée par les vésicules perdues, ce qui indique qu'avec la perte de membrane au cours du cycle mécanique, les globules rouges modulent leurs morphologies afin de maintenir la forme biconcave en perdant plus de cytoplasme et en laissant une plus grande surface redondante pour maintenir leur superbe déformabilité.

Variations typiques des propriétés mécaniques de différents globules rouges au cours du cyclage mécanique. Modifications de la surface (a), du volume cellulaire (b), du taux de gonflement (c) et du rapport volume/surface avec les cycles (d). Les lignes obliques dans le triangle en (d) représentent le rapport du volume à la surface, où les pertes de volume avec des vésicules sphériques de 50 ou 1000 nm sont considérées (ligne supérieure : 0,05 μm ; ligne médiane : 1 μm ; ligne inférieure : les résultats expérimentaux actuels pendant le cycle).

Bien que la surface et le volume diminuent de manière monotone au cours du cyclage mécanique, les variations du module de cisaillement de la membrane présentent une dépendance distincte de la transformation de forme des globules rouges. En utilisant le modèle de fatigue in vitro avec des microtubes, les processus de vieillissement de ces globules rouges en forme de coupe et en forme de biconcave sont en outre classés en trois groupes différents. Nous avons constaté que, bien que le raidissement des cellules pendant la fatigue soit monotone pour les cellules de forme biconcave, les cellules en forme de coupe pourraient être ramollies ou stabilisées en fonction de leurs profils de forme initiaux et finaux après environ 200 fois des cycles de contrainte-relaxation à travers des micro tubes étroits. Comme le montre la Fig. 4, le module de cisaillement de ces globules rouges diminue évidemment lorsqu'ils conservent leur forme de coupe, marquée C – C, pendant le cyclage mécanique (Fig. 4a). Le module de cisaillement de ces globules rouges diminue légèrement, mais reste presque constant pendant qu'ils se transforment de la forme de la coupe au discocyte marqué comme CD (Fig. 4b); le module de cisaillement augmente avec une grande dispersion pendant le cycle mécanique pour les globules rouges conservant une forme biconcave pendant le cycle (Fig. 4c). À notre connaissance, il s'agit du premier résultat à révéler, à l'aide d'un modèle de cycle mécanique, que la rigidité des globules rouges varie selon les différentes phases du vieillissement cellulaire induit par la fatigue mécanique, de la forme en coupe à la forme biconcave.

Modifications du module de cisaillement de la membrane au cours du cycle mécanique dans différents groupes de transformations de forme (moyenne ± erreur standard), où (a) C–C désigne les globules rouges restant en forme de cupule, (b) C–D pour la transformation de cupule en forme de discocyte et (c) D–D pour les globules rouges restant en forme de discocyte. Les encarts illustrent les changements morphologiques typiques de différents groupes au cours du cyclisme.

Des analyses de corrélation plus détaillées sur les propriétés mécaniques des globules rouges sont illustrées à la Fig. 5, indiquant que les volumes cellulaires sont étroitement liés à leurs surfaces, non seulement initialement avant le cycle mécanique (Fig. 5a), mais également à tout moment du cycle (Fig. 3d). Parmi toutes les propriétés mécaniques mesurées dans le présent travail, la surface des globules rouges, A, est sélectionnée comme indicateur clé du vieillissement cellulaire au cours du cycle mécanique, non seulement parce que la surface diminue de façon monotone avec le vieillissement cellulaire2 mais aussi parce qu'elle est plus indépendante que le volume des cellules par rapport à leurs environnements mécaniques ou chimiques au niveau cellulaire6,10. Parmi les séries temporelles de surface \({A}_{n}\) acquises au cours des expériences actuelles de cyclage mécanique, où l'indice n représente les temps de cyclage, la surface initiale \({A}_{0}\) d'un globule rouge avant le cyclage, \(n=0\), est un paramètre important qui, dans un sens moyen, indique l'âge actuel du globule rouge avant le cyclage mécanique. Nos expériences démontrent qu'en outre les modules de cisaillement à membrane (Fig. 5B), les taux de changement de la surface \ ({{a} ^ {^ {\ Prime}}} _ {0} \) et le module de cisaille leurs surfaces initiales \ ({a} _ {0} \) (Fig. 5c, d) également.

Corrélations des propriétés mécaniques des globules rouges à leurs surfaces initiales. (a) Distribution du volume initial \({V}_{0}\) à la surface initiale \({A}_{0}\) avant le cyclage mécanique. (b) Distribution du module de cisaillement initial de la membrane \({E}_{S0}\) à la zone initiale \({A}_{0}\). (c) Modifier les taux de surface \({{A}_{0}}^{\mathrm{^{\prime}}}=dA/dn\) pendant le cycle vers leur surface initiale \({A}_{0}\). (d) Changer les taux du module de cisaillement \({E}_{s0}^{^{\prime}}=d{E}_{s}/dn\) pendant le cycle par rapport à la surface initiale \({A}_{0}\). Ici, r et p dans les figures désignent les coefficients de corrélation et leur signification entre les variables choisies comme coordonnées, respectivement. Bleu, C–C ; vert, C–D ; rouge, D–D.

Nous n'avons acquis des données que de 17 cellules dans le présent travail, parmi lesquelles 10 d'entre elles étaient initialement en forme de coupe (3 d'entre elles ont conservé la forme de la coupe, 7 d'entre elles sont passées de la forme de la coupe à la forme biconcave), et 7 d'entre elles ont conservé la forme biconcave tout au long du cycle mécanique. La moyenne et l'écart type du volume, de la surface et du module de cisaillement initial sont respectivement de 105,7 \(\pm\) 9,8, 143,5 \(\pm\) 11,2, 5,8 \(\pm\) 1,5. Étant donné que le présent travail est une étude longitudinale basée sur une seule cellule par rapport aux cycles de fatigue mécanique RBC, 17 est un nombre relativement faible du nombre total d'échantillons, mais comme le montrent les Fig. 4 et 5, les écarts-types des variables mesurées sont assez faibles ce qui suggère que nos tendances observées sont fiables.

Bénéficiant des propriétés mécaniques précises des globules rouges mesurées lors de chaque cycle avec le présent modèle de fatigue mécanique in vitro, nous avons établi un modèle mathématique pour l'évolution de la surface et du module de cisaillement des globules rouges simples sous fatigue mécanique. Dans nos expériences, chaque GR a subi environ 200 cycles de fatigue mécanique en 2 heures à température ambiante. En moyenne, la surface des globules rouges a diminué de 10 % au cours de ce processus de fatigue, comme illustré sur la figure 3a. Les données expérimentales actuelles soutiennent que la surface des globules rouges perd de façon exponentielle pendant la fatigue mécanique sur la base des deux estimations liées suivantes. Tout d'abord, un globule rouge sain dans le corps humain passe par les fentes inter-endothéliales spléniques (IES) environ 1500 fois au total environ au cours de sa durée de vie d'environ 120 jours en moyenne, car bien que la période de circulation pulmonaire à pulmonaire chez les sujets sains soit d'environ 55 s, mais au cours d'un cycle de circulation sanguine périphérique, environ 5 % seulement du flux artériel pénètre dans la rate par l'artère splénique, et parmi lesquels seulement 15 % s'engagent dans la circulation ouverte et lente dans la pulpe rouge et traverse la structure unique de l'IES selon Henry et al.28. Deuxièmement, à mesure que les globules rouges vieillissent, ils ont tendance à perdre environ 20 % de leur surface. Cette estimation provient de Waugh et al.2, qui ont découvert qu'en séparant les globules rouges jeunes et âgés en fonction de leur concentration moyenne en hémoglobine cellulaire (MCHC), la surface des globules rouges jeunes (avec une MCHC d'environ 31 g/dL) était environ 18 % plus grande que celle des globules rouges âgés (avec une MCHC > 37 g/dL). Il convient de noter que « jeune » et « âgé » désignent ici différentes étapes des globules rouges au cours de leur durée de vie d'environ 120 jours. C'est-à-dire qu'au début de 200 cycles de cyclage mécanique tels qu'effectués dans les expériences actuelles, les globules rouges fraîchement dessinés ont déjà perdu en moyenne la moitié de leurs surfaces utilisables pendant tout le processus de vieillissement qui nécessite environ 1500 cycles de cycle.

En supposant que la réduction de la surface \ (A \) obéit à une décroissance exponentielle pendant le cyclage mécanique, la surface à tout cycle donné de cyclage mécanique n est formulée comme suit

où \({A}_{n}\) est la surface d'un RBC après le \(n\) ème cycle. \({A}_{\infty}\) est la surface limite restante d'un RBC avant qu'il ne soit éliminé du système circulatoire à la fin de sa durée de vie, qui est la surface finale à laquelle un RBC se désintègre progressivement après un nombre infini de cycles théoriquement. En considérant les temps de cyclage \(n\) comme indice temporel, la surface initialement avant le cyclage est donnée par \({A}_{0}=a{e}^{-k{n}_{0}}+{A}_{\infty }\) qui présente l'état actuel de la cellule. Lorsque \(n=-{n}_{0}\), c'est-à-dire si nous pouvions tracer la surface d'un globule rouge depuis l'état actuel \({A}_{0}\) jusqu'à la naissance de la cellule, la surface de la cellule nouvellement née devrait être \({A}_{b}=a+{A}_{\infty }\). Ensuite, la signification biophysique de \(a\) est claire qu'il représente la surface totale qu'un seul globule rouge peut perdre tout au long de son cycle de vie, de la naissance à la mort, et \(a{e}^{-k{n}_{0}}\) représente la surface restante qu'un globule rouge moyen va perdre depuis son état actuel. \(k\) est le coefficient de décroissance de la surface, et nous supposons que \(k\) est identique pour tous les globules rouges d'un même individu. Parmi plusieurs paramètres \(\left({A}_{n},n,a,k, {n}_{0},{A}_{\infty }\right)\) dans le modèle mathématique pour un seul GR, \({A}_{n}\) et \(n\) sont mesurés directement à partir des expériences actuelles, et \(k\) et \({A}_{\infty }\) sont obtenus par analyse de données, tandis que \(a\) et \({n}_{ 0}\) ne peut pas être décidé explicitement. Ici, n est supposé être un paramètre continu, mais il est discrétisé dans les expériences par chaque tour de cycle et de mesure.

Plusieurs paramètres \(\left(a,k, {n}_{0},{A}_{\infty}\right)\) avec des significations biophysiques déterministes sont utilisés dans le présent modèle mathématique, mais la matrice de paramètres est difficile à résoudre explicitement pour un seul RBC avec les données expérimentales actuelles en raison de l'hétérogénéité des cellules. En utilisant les caractéristiques de la fonction exponentielle, le taux de changement de la surface cellulaire est donné comme suit

Théoriquement, un ensemble d'équations pour \({{A}^{^{\prime}}}_{n}\), \({A}_{n}, {A}_{\infty}\) peut être formulé avec les données expérimentales pendant le cycle. Cependant, les fluctuations de \({{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{n}\) et \({A}_{n}\) observées dans les données expérimentales au cours des cycles successifs de cycle (Fig. 3a) affectent la précision de l'évaluation, qui proviennent à la fois de l'instabilité des flux de fluide dans le microcanal avec une cellule déformante et des erreurs dans le traitement de l'image. Ici, pour tirer parti des données expérimentales longitudinales d'une seule cellule pendant le cycle, mais éviter les fluctuations locales, nous avons effectué les traitements suivants.

Tout d'abord, nous calculons le taux de changement de la surface d'un seul RBC en ajustant tous les points de données expérimentaux le long des 200 cycles. Utilisez ensuite la valeur moyenne résultante, notée \(<{{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{n}>\), comme taux de changement initial, \({{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{0}\approx <{{A}^{\mathrm{^{\prime}}}}_{n}>\).

Bien que nous supposions que la surface décroît de façon exponentielle tout au long du processus de vieillissement, dans les expériences actuelles in vitro, chaque globule rouge ne connaît qu'environ un dixième de son cycle de vie complet. En conséquence, le taux de changement pourrait être approximé sous une hypothèse linéaire, avec des écarts acceptables dans la plage. Deuxièmement, nous supposons que la valeur de k doit rester constante pour tous les globules rouges d'un individu particulier. Cela garantit que les surfaces finales des globules rouges de l'individu, notées \({A}_{\infty}\), peuvent être calculées à l'aide de l'équation. (2), qui stipule que \({A}_{\infty }=({{A}^{^{\prime}}}_{0}+k{A}_{0})/k\). Autrement dit, \(k\) est ajusté à l'aide de la méthode des moindres carrés avec toutes les données des globules rouges d'un seul individu dans le plan de (\({{A}^{^{\prime}}}_{0}, {A}_{0})\), comme le montre la Fig. 6a. De cette manière, le \(k\) pour un groupe d'échantillons de chaque individu particulier et le \({A}_{\infty,i}\) pour chaque globule rouge individuel parmi ces échantillons peuvent être caractérisés.

Modélisation mathématique de la dynamique d'une zone RBC unique. (a) Ajustement des moindres carrés de toutes les données des globules rouges d'un seul individu dans le plan de (\({{A}^{^{\prime}}}_{0}, {A}_{0})\) obtenir \(k\) et \({A}_{\infty }\). (b) Variation \(\gamma\) en fonction du nombre de cycles. ( c ) Distributions de \ (\ gamma \) pour le même RBC pendant le test de cyclisme. ( d ) Le modèle s'adapte à la réduction de surface en fonction du nombre de cycles et des comparaisons de la surface cellulaire entre différentes valeurs de \ (\ gamma \). Les points dispersés représentent les données expérimentales (bleu : \(\gamma\) = 4,18 ; vert : \(\gamma\)= 3,75 ; rouge : \(\gamma\)= 3,38 dans (b–d). (e) Comparaison du \(\gamma\) pour trois groupes distincts de cellules. ns signifie aucune signification dans les statistiques.

Pour décrire quantitativement l'état de santé actuel d'un seul GR, un paramètre d'ensemble \(\gamma\) est défini dans l'Eq. (3) en prenant le logarithme naturel des deux côtés de l'Eq. (1).

Ce paramètre implique la surface potentielle à perdre, \(a\), le coefficient de décroissance exponentielle de la surface, \(k\) et son indice de cycle actuel, \({n}_{0}\). En utilisant les données expérimentales d'un RBC à chaque cycle de fatigue, \(\gamma\) d'une cellule donnée est estimée avec \(\gamma =ln\left({A}_{n}-{A}_{\infty}\right)+kn\) comme le montre la Fig. 6b. On observe que \(\gamma\) fluctue avec les fluctuations de \({A}_{n}\ mesuré).

Les données expérimentales disponibles fournissent des preuves à l'appui de l'utilisation de \(\gamma\) comme paramètre d'ensemble pour un seul RBC. Les médianes de \(\gamma\) dans chaque cellule pendant le cycle mécanique semblent être largement indépendantes du nombre de cycles, comme illustré à la Fig. 6b. De plus, les valeurs transitoires de \(\gamma\), qui sont calculées à l'aide des données expérimentales instantanées à chaque cycle, sont conformes à une distribution gaussienne, comme le montre la figure 6c. En utilisant les médianes de \(\gamma\), la décroissance de la surface de chaque globule rouge d'un même individu pendant la fatigue mécanique peut être clairement catégorisée (Fig. 6d). Après avoir comparé les valeurs \(\gamma\) pour trois groupes différents de transformations de forme, l'analyse statistique n'a montré aucune différence significative (Fig. 6e). Compte tenu des erreurs de mesure dans les expériences actuelles, nos résultats indiquent que le paramètre d'ensemble \(\gamma\) d'un seul RBC, tel que déterminé par notre modèle mathématique, est capable de fournir une distinction quantitative entre les comportements de cyclage mécanique de chaque cellule.

Le changement du module de cisaillement de la membrane d'un seul RBC au cours du processus de fatigue mécanique est plus compliqué que la décroissance monotone de la surface, qui varie de trois manières distinctes associées aux trois transformations de forme cellulaire différentes, comme indiqué sur la Fig. 4. Et la Fig. }_{0}\), comme

où \(g\) est le taux de variation linéaire et \(C\) est une constante. Nous généralisons cette corrélation linéaire entre le taux de changement du module de cisaillement de la membrane et la surface de l'état initial des cellules à tous les états actuels des globules rouges, et supposons que \ (g \) reste constant pour tous les globules rouges d'un individu en tant que caractéristique personnelle comme

Prenant l'éq. (1) dans (5), et en intégrant l'équation avec les conditions initiales \({Es}_{n}={Es}_{0}\) et \({A}_{n}={A}_{0}\) à \(n=0\), le module de cisaillement de la membrane le long du processus de fatigue mécanique est formulé comme

où \(C\) est une constante qui prend des valeurs différentes pour différentes cellules. Cette formulation du module de cisaillement de la membrane consiste en une partie de décroissance exponentielle et une partie de croissance linéaire ensemble, qui déterminent conjointement la variation du module de cisaillement par rapport à la fatigue mécanique à un temps de cycle donné \(n\).

Le modèle présenté dans l'Eq. (6) illustre trois tendances distinctes pour le changement du module de cisaillement, comme démontré dans la Fig. 5. Ces tendances dépendent de deux facteurs : \({A}_{0}\) et g. Si \({A}_{0}<-C/g\), le module de cisaillement diminue initialement avec le cyclage mécanique (\({{Es}^{^{\prime}}}_{0}<0\)). Inversement, si \({A}_{0}>-C/g\), le module de cisaillement augmente (\({{Es}^{^{\prime}}}_{0}>0\)). Si \({A}_{0}=-C/g\), le module de cisaillement reste constant (\(Es_{0}^{^{\prime}} = 0\)). En exprimant le module de cisaillement en termes de surface,

qui contient les changements du module de cisaillement avec les transformations de forme au cours des processus de fatigue mécanique d'un seul RBC.

La figure 7a montre que l'équation. (6) se rapproche étroitement des données expérimentales avec le \ (g \) déterminé en adoptant les taux de changement du module de cisaillement de plusieurs globules rouges comme une constante du même individu. La figure 7a révèle également qu'au cours du processus de fatigue d'un seul RBC, le module de cisaillement de la membrane diminue d'abord tandis que son profil de forme passe de la forme de coupe à la forme de discocyte, puis augmente à mesure qu'il maintient des formes biconcaves discoïdes.

Comparaison du modèle mathématique (ligne continue) du module de cisaillement de la membrane avec des données expérimentales (points dispersés) sous différentes transformations de forme. (a) Variation du module de cisaillement au cours du cyclage mécanique. Différentes couleurs et styles de ligne représentent différentes transformations de forme associées aux processus de cycle. ( b ) Relation entre le module de cisaillement et la surface pendant le cyclage mécanique avec trois cellules différentes sous différentes transformations de forme pendant le cycle, de la forme de coupe à la forme de coupe (diamants), de la forme de coupe à la forme discoïde biconcave (carrés) et de la forme discoïde biconcave à la forme discoïde biconcave (cercles) respectivement. La flèche illustre la direction du processus de vieillissement en utilisant le nombre de cycles n comme indice, la ligne tiret-point-point présente une attente pour une cellule au cours d'un processus de cycle long basé sur l'équation. (7).

Comme le montre la figure 7b, les lignes pleines et les points de dispersion présentent la prédiction du modèle et les données expérimentales de trois cellules différentes sous trois transformations de forme distinctes respectivement, ce qui illustre que l'Eq. (7) est capable de prédire approximativement le changement de module de cisaillement de la membrane associé à la variation de la surface au cours du processus de fatigue. La figure 7b montre qu'un seul RBC contient souvent une plus grande surface avec une forme de coupe et commence à perdre la surface avec une décoloration de la forme de coupe, tandis que le module de cisaillement de la membrane diminue. Le ramollissement de la membrane RBC cesse lorsque les cellules en forme de coupe se transforment en une forme discoïde. Au cours de cette transformation, les globules rouges continuent de perdre de la surface, mais le module de cisaillement reste relativement constant et ne présente pas de changements significatifs autour de sa valeur minimale tout au long de sa durée de vie. Une fois que les globules rouges ont obtenu leur forme biconcave discoïde, les globules rouges commencent à se raidir pendant le processus de fatigue mécanique, de sorte que leurs surfaces diminuent et que les modules de cisaillement de la membrane augmentent.

Dans le présent travail, pour chaque type de transformations de forme, y compris cup-cup, cup-discocyte et discocyte-discocyte, nous avons mené plusieurs expériences cellulaires, comme le montre la figure 4, et les tendances globales de chaque type sont cohérentes. Limitées par les conditions expérimentales actuelles, les expériences de fatigue à long terme pour une seule cellule ne sont pas prises en charge par la configuration actuelle, de sorte que nous ne pouvions pas observer une mesure directe de l'ensemble du processus de fatigue sur une cellule donnée. Cependant, alors que nous rassemblons trois catégories distinctes, il est clair qu'une forme parabolique est formée par les trois groupes de données conjointement, comme le montre la figure 7b. Les modèles physiques présentés à l'aide des équations. (1), (6) et (7) basés sur les données expérimentales actuelles sont simples. Les paramètres adoptés ici sont biophysiquement significatifs et reflètent certaines caractéristiques de base des globules rouges avec des différences individuelles des cellules et la forme physique de chaque cellule si elle appartient à la même personne. Bien que nous ne puissions pas présenter un processus de vieillissement complet avec une cellule donnée actuellement, la figure 7b et la ligne tiret-point-point comme la tendance attendue dans la figure appellent des configurations plus avancées pour des expériences de fatigue mécanique à cellule unique plus sophistiquées.

La stimulation mécanique des globules rouges est cruciale pour le vieillissement des globules rouges29. Cependant, les moyens quantitatifs pour étudier ces effets de la stimulation mécanique sur les propriétés mécaniques des érythrocytes individuels font encore défaut. Le modèle de fatigue avec microtubes proposé dans cette étude non seulement reconstruit les stimulations de contrainte circonférentiellement plus symétriques tandis que les globules rouges passent à plusieurs reprises à travers des capillaires étroits et des fentes in vivo, mais caractérise également les changements de propriétés mécaniques des globules rouges quantitativement après chaque événement de fatigue via des méthodes hydrodynamiques in situ.

Au cours du cycle, la stimulation mécanique induit des modifications de la morphologie des globules rouges, entraînant une diminution de la surface et du volume des globules rouges, ainsi que des modifications du module de cisaillement de la membrane des globules rouges. Les altérations des propriétés mécaniques des globules rouges observées dans notre étude sont similaires à celles observées dans le processus de vieillissement11,12,13,14. Il est proposé que la fatigue mécanique soit la principale cause des changements dans la dégradation mécanique des globules rouges observés dans différents groupes d'âge. Par conséquent, notre modèle fournit une explication de la façon dont les stimuli mécaniques contribuent au processus de vieillissement des globules rouges. Le présent modèle de cycle mécanique prend en charge des études approfondies des problèmes physiologiques et cliniques liés au vieillissement des globules rouges.

La transformation des réticulocytes en érythrocytes matures passe par trois phases distinctes, y compris la structure réticulaire R1 (réticulée, contenant de l'ARN, surface rugueuse), la structure en forme de coupe R2 (en forme de coupe, contenant de l'ARN, surface rugueuse) et les globules rouges matures (forme de plat concave double)7. Inspirés par l'analyse morphologique des érythrocytes humains30,31, les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'il existe une phase de transition R3 (cupule, sans ARN, surface lisse) entre le R2 et les érythrocytes matures32. Après avoir mené nos expériences actuelles, nous avons découvert que les globules rouges en forme de coupe peuvent se transformer en un discocyte en forme de biconcave par le biais d'un cycle mécanique. Ce processus entraîne une diminution du module de cisaillement jusqu'à ce que la rigidité RBC atteigne sa valeur minimale au cours de sa durée de vie. La forme discoïde biconcave est l'une des formes les plus stables avec le moins d'énergie nécessaire pendant le processus de transformation de forme des globules rouges. De plus, la déformabilité et la stabilité des globules rouges augmentent lors de la transformation de la cupule en discocyte. Ces caractéristiques peuvent aider à expliquer les observations sur la maturation des réticulocytes, qui montrent une diminution rapide de la surface et du volume des globules rouges, tandis que leur déformabilité cellulaire et leur stabilité mécanique augmentent33. Par conséquent, les résultats expérimentaux ainsi que le modèle de fatigue suggèrent que la transformation de la forme des cupules en discocytes est probablement une phase intermédiaire dans la maturation des réticulocytes en globules rouges matures, ce qui est utile pour l'étude des globules rouges générés in vitro.

Les globules rouges participent aux processus pathologiques de nombreuses maladies circulatoires et métaboliques34,35. Combinées à la stimulation mécanique, l'inflammation et d'autres stimulations biochimiques affectent également le vieillissement des globules rouges, ce qui offre un grand potentiel pour le diagnostic et le traitement des maladies grâce à la surveillance des propriétés mécaniques des globules rouges. Ici, nous avons mis en place un modèle mathématique pour l'évolution de la surface et du module de cisaillement d'un seul GR basé sur le processus de vieillissement des GR in vitro. Les paramètres, y compris le taux de décomposition de la surface et le taux de changement concomitant du module de cisaillement, sont les propriétés intrinsèques des globules rouges qui sont des indicateurs potentiels pour décrire quantitativement les différences de globules rouges dans différentes maladies.

Par exemple, la diminution de la déformabilité et de la stabilité membranaire due à des facteurs génétiques dans les anémies hémolytiques (par exemple thalassémie, sphérocytose héréditaire) est souvent détériorée par des stimulations mécaniques dans la rate5. En utilisant le modèle mathématique proposé, nous pourrons peut-être différencier quantitativement les propriétés intrinsèques des globules rouges dans différentes maladies sanguines héréditaires. Ici, k décrit la capacité des globules rouges à résister au changement de surface pour maintenir un état d'équilibre, et g reflète le taux de raidissement des globules rouges dû au remodelage du cytosquelette. Ces paramètres suggèrent une nouvelle approche pour diagnostiquer et surveiller les maladies hémolytiques avec des variations anormales de surface et de raideur au cours du cyclage mécanique.

Une autre application potentielle est de vérifier l'effet de la glycémie sur le vieillissement des globules rouges. L'hémoglobine glyquée (HbA1c) chez les patients diabétiques est étroitement liée à l'âge des globules rouges36. Avec le paramètre d'ensemble \(\upgamma\) pour estimer l'âge des globules rouges, l'HbA1c pourrait être surveillée de manière plus dynamique en quelques heures en utilisant le mode de fatigue actuel pour accélérer le processus de vieillissement dans des environnements biochimiques similaires. Cependant, toutes ces applications potentielles nécessitent plus d'accumulation de données et des configurations expérimentales plus sophistiquées pour les tests à long terme de globules rouges uniques avec des études de contrôle appropriées.

Nous avons établi un seul modèle de cycle mécanique RBC pour imiter la stimulation mécanique des globules rouges in vivo. Le modèle utilise des conditions de stress isotrope pour les globules rouges passant à plusieurs reprises à travers des lumières étroites, telles que de petits capillaires dans la microcirculation ou des IES dans la rate, pour imiter efficacement le vieillissement des cellules par perte de surface. Il fournit en outre des mesures in situ et précises de la surface et du module de cisaillement de la membrane lors de chaque cycle de cyclage mécanique. En utilisant un modèle de fatigue in vitro, nous avons classé les processus de cycle RBC mûri en trois groupes distincts, en fonction de leurs changements de forme respectifs entre en forme de coupe et en forme de biconcave. Bien que le raidissement des cellules pendant la fatigue soit monotone pour les globules rouges de forme biconcave, les cellules en forme de coupe pourraient se ramollir ou se stabiliser en fonction de leurs profils de forme initiaux et finaux sous le cycle mécanique. Nous avons également proposé des formulations mathématiques basées sur les données expérimentales pour approximer et interpréter l'évolution des propriétés mécaniques des globules rouges matures. Les modèles mathématiques pour le changement de la surface et du module de cisaillement de la membrane des globules rouges individuels prennent en charge un paramètre d'ensemble pour estimer quantitativement l'état de santé des globules rouges.

Toutes les données sont disponibles dans le texte principal.

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Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (Grant 12072198), National Key Research and Development Project of China (2017YFE0117100) et Shanghai Jiao Tong University (No. YG2022ZD004). Nous reconnaissons également le soutien partiel du MIT Greater China Fund for Innovation.

Key Laboratory of Hydrodynamics (Ministère de l'Éducation), Department of Engineering Mechanics, School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, Chine

Qiaodong Wei, Xiaolong Wang et Xiaobo Gong

Institute of Photonics and Photon Technology, State Key Laboratory of Photon-Technology in Western China Energy, Université du Nord-Ouest, Xi'an, 710100, Chine

Ce Zhang

Département de science et génie des matériaux, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, États-Unis

Ming Dao

State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, Chine

Xiaobo Gong

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QW, XG a conçu le projet. QW a développé la configuration expérimentale et réalisé des expériences. XW a fourni un calcul de simulation. QW, CZ et XG ont analysé les données, QW, XG ont rédigé le manuscrit. MD et XG ont supervisé la recherche. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Xiaobo Gong.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wei, Q., Wang, X., Zhang, C. et al. Évolution de la surface et du module de cisaillement de la membrane des globules rouges humains matures au cours de la fatigue mécanique. Sci Rep 13, 8563 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34605-x

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Reçu : 15 septembre 2022

Accepté : 04 mai 2023

Publié: 26 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34605-x

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