Biyolojik Hücrelerin Mekanik Yorgunluğunu Değerlendirmek için Genlik Modülasyonlu Elektrodeformasyon
Summary
Burada, genlik modülasyonlu bir elektrodeformasyon yaklaşımı kullanan insan kırmızı kan hücreleri durumunda mekanik yorulma testi için bir protokol sunulmaktadır. Bu genel yaklaşım, döngüsel deformasyondan kaynaklanan bir süspansiyondaki biyolojik hücrelerin morfolojik ve biyomekanik özelliklerindeki sistematik değişiklikleri ölçmek için kullanılabilir.
Abstract
Kırmızı kan hücreleri (RBC’ler) olağanüstü deforme olabilirlikleri ile bilinir. Mikro sirkülasyondan geçerken tekrar tekrar önemli deformasyona uğrarlar. Fizyolojik olarak yaşlanmış eritrositlerde azalmış deformabilite görülür. Hücre deformasyonunu ölçmek için mevcut teknikler, döngüsel yüklerin neden olduğu hücre zarlarındaki kademeli bozulma olan yorgunluğu ölçmek için kolayca kullanılamaz. Mikroakışkan bir kanalda genlik kaydırmalı anahtarlama (ASK) modülasyonu tabanlı elektrodeformasyon kullanarak döngüsel kesme gerilmelerinden kaynaklanan RBC’lerdeki mekanik bozunmayı değerlendirmek için bir protokol sunuyoruz. Kısaca, mikroakışkan kanaldaki sayısallaştırılmış elektrotlar, bir sinyal üreteci kullanılarak radyo frekanslarında düşük voltajlı bir alternatif akımla uyarılır. Süspansiyondaki RBC’ler elektrik alanına tepki verir ve hücreleri elektrot kenarlarına hareket ettiren pozitif dielektroforez (DEP) sergiler. Hücreler daha sonra iki hücre yarısına uygulanan elektriksel kuvvetler nedeniyle gerilir ve elektrodeformasyon olarak bilinen tek eksenli gerilmeye neden olur. Kesme gerilimi seviyesi ve ortaya çıkan deformasyon, uyarma dalgasının genliği değiştirilerek kolayca ayarlanabilir. Bu, yüksek verimde küçük ve büyük deformasyonlara yanıt olarak RBC’lerin doğrusal olmayan deforme olabilirliğinin ölçülmesini sağlar. Uyarma dalgasının ASK stratejisi ile değiştirilmesi, programlanabilir yükleme hızları ve frekansları ile döngüsel elektrodeformasyonu indükler. Bu, RBC yorgunluğunun karakterizasyonu için uygun bir yol sağlar. ASK modülasyonlu elektrodeformasyon yaklaşımımız, ilk kez, döngüsel yüklerden kaynaklanan RBC yorgunluğunun doğrudan ölçülmesini sağlar. Genel biyomekanik testler için, diğer hücre tiplerinde ve hastalıklı durumlarda hücre deforme olabilirliği ve yorgunluğunun analizi için bir araç olarak kullanılabilir ve ayrıca oksijen gerilimi ve biyolojik ve kimyasal ipuçları gibi hücrelerin mikro çevresini kontrol etme stratejileri ile birleştirilebilir.
Introduction
Kırmızı kan hücreleri (RBC’ler) insan vücudundaki en çok deforme olabilen hücrelerdir1. Deforme olmaları, oksijen taşıma işlevleriyle doğrudan ilişkilidir. RBC’lerde azalmış deformabilitenin çeşitli RBC bozukluklarının patogenezi ile ilişkili olduğu bulunmuştur2. Deformabilite ölçümleri, RBC ile ilişkili hastalıkları daha iyi anlamamızı sağlamıştır3. RBC’lerin normal ömrü 70 ila 140 günarasında değişebilir 4. Bu nedenle, yaşlanma süreciyle birlikte deforme olabilirliklerinin nasıl azaldığını, örneğin döngüsel kayma gerilmelerinden kaynaklanan yorulma davranışlarınıölçmek önemlidir 3.
RBC’nin yüksek verimde deforme olabilirliğini ölçmek, tek tek hücrelere uygulanan pikonewton ölçek kuvvetleri (~ 10-12 N) nedeniyle zordur. Son on yılda, hücre deformabilitesini ölçmek için birçok teknoloji geliştirilmiştir5. RBC’lerin tek hücre seviyesindeki deformasyon ölçümleri pipet aspirasyonu ve optik cımbız ile yapılabilirken, toplu analizler ozmotik gradyan ektasitometri ile yapılır. Ektasitometri analizleri, kan bozukluklarını teşhis etme fırsatı sağlayan bol miktarda veri sağlar 6,7. RBC’lerin deforme olabilirliği, kolloid prob atomik kuvvet mikroskobu ile viskoelastik teori kullanılarak da analiz edilebilir. Bu yöntemde, hem zamana bağlı hem de kararlı durum tepkileri dikkate alınarak RBC’lerin elastik modülünü tahmin etmek için hesaplamalı analiz uygulanır. Bireysel RBC’lerin deforme olabilirliği, tek hücreli mikro odacıklı dizi yöntemi kullanılarak ölçülebilir. Bu yöntem, hematolojik bozuklukları tespit etmek için RBC deformabilitesi ve karmaşık RBC popülasyonlarındaki hücresel özelliklerin dağılımı hakkında bilgi sağlamak için her hücreyi membran ve sitozolik floresan belirteçler aracılığıyla analiz eder8.
Yorulma, mühendislik malzemelerinin ve biyomalzemelerin özelliklerinin bozulmasında önemli bir faktördür. Yorulma testi, döngüsel yüklemeye maruz kalan bir yapının bütünlüğünün ve uzun ömürlülüğünün nicel bir analizini sağlar. Biyolojik hücrelerde yorgunluğun analizi, hücre zarlarında döngüsel deformasyonun uygulanması için genel, kolayca uygulanabilir, yüksek verim ve kantitatif bir yöntemin olmaması nedeniyle uzun süredir engellenmiştir. Bu, mikroakışkan bir ortamda uygulanan elektrik sinyali modülasyonu ve elektrodeformasyon tekniklerinin kullanılmasıyla mümkündür. Dijital modülasyon olarak genlik kaydırmalı anahtarlama (ASK) tekniği, bu makalede On-Off anahtarlama (OOK) modülasyonu ile uygulanmaktadır. Anahtarlama kavramı,9 işlevi için bir sinüs dalgası taşıyıcı sinyali gerektiren kanal üzerinden dijital sinyallerin iletimini ifade eder. AÇIK ve KAPALI süreleri eşit olarak ayarlanabilir. AÇMA AÇMA altında, RBC’ler, düzgün olmayan elektrik alanı tarafından oluşturulan harici bir elektrodeformasyon kuvvetine (Fdep)10 maruz kaldıklarında deforme bir duruma girerler. OFF-key altında, RBC’ler rahat durumdadır. RBC’lerin yorgunluğunu, yani artan yükleme döngüleri ile esneme yeteneklerinde aşamalı bir bozulma gözlemliyoruz. RBC’lerde yorgunluğa bağlı deformabilite kaybı, kan dolaşımı sırasında biriken membran hasarı hakkında fikir verebilir ve hücre yorgunluğu ile hastalık durumları arasındaki bağlantıları daha fazla araştırmamızı sağlar.
Burada, ASK modülasyonlu elektrodeformasyon yoluyla bir mikroakışkan cihazda RBC’lerin yorulma testinin nasıl uygulandığına ve RBC’lerin mekanik deformasyonundaki kademeli bozunmanın karakterizasyonu için mikroakışkan cihaz, mekanik yükleme ve mikroskobik görüntüleme gibi sistem ayarlarına ilişkin adım adım prosedürler sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir DEP kuvveti indükleyen sinüs dalgasının ASK OOK modülasyonu, RBC’lerin mekanik yorgunluğunu uzun bir süre boyunca test etmek için kullanılabilir. Bu protokolde, hücre deformabilitesi üzerindeki olası olumsuz metabolik etkileri önlemek için in vitro yorgunluk testini 1 saat ile sınırladık. Kapsamlı yorulma testi koşulları, ASK modülasyonlu elektrodeformasyon tekniği kullanılarak programlanabilir. Yükleme frekansı, genlik ve yükleme hızı gibi parametrelerin tümü programlanabilir. Yükleme …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, NSF / CMMI Hemoglobin Bazlı Yapay Oksijen Taşıyıcılarının Mekanobiyolojisi (#1941655) ve NSF / CMMI Sağlıklı ve Hastalıklı Kırmızı Kan Hücrelerinin Dinamik ve Yorgunluk Analizi (#1635312) tarafından finanse edilmiştir.
Materials
| Balance Scale | ViBRA | HT-224R | |
| Bandpass filter | BRIGHTLINE | 414/46 BrightLine HC | |
| BD Disposable Syringes with Luer-Lok™ Tips, 1 mL | Fisher Scientific | 14-823-30 | |
| Biopsy Punches with Plunger System, 1.5 mm | Fisher Scientific | 12-460-403 | |
| Biopsy Punches with Plunger System, 3 mm | Fisher Scientific | 12-460-407 | 1.5 mm and 3 mm diameter |
| Blunt needle, 23-gauge | BSTEAN | X001308N97 | |
| Bovin Serum Albumin | RMBIO | BSA-BSH | |
| Centrifuge | SCILOGEX | 911015119999 | |
| Conical Tube, 50 mL | Fisher Scientific | 05-539-13 | |
| Dextrose | Fisher Scientific | MDX01455 | MilliporeSigma™ |
| EC Low Conductivity meter | ecoTestr | 358/03 | |
| Eppendorf Snap-Cap MicrocentrifugeTubes | www.eppendorf.com | 05-402-25 | |
| Excel | Microsoft | Graph plotting | |
| Function Generator | SIGLENT | SDG830 | |
| Glass/ITO Electrode Substrate | OSSILA | S161 | |
| ImageJ | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| Inverted Microscope | OLYMPUS | IX81 – SN9E07015 | |
| Lab Oven | QUINCY LAB (QL) | MODEL 30GCE | Digital Model |
| Matlab | MathWorks | Graph plotting | |
| Micro Osmometer – Model 3300 | Advanced Instruments Inc. | S/N: 03050397P | |
| Parafilm Laboratory Wrapping Film | Fisher Scientific | 13-374-12 | |
| Petri dish | FALCON | SKU=351006 | ICSI/Biopsydish 50*9 mm |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | LONZA | 04-479Q | |
| Plasma Cleaner | Harrick plasma PDCOOL | NC0301989 | |
| Solidworks | Dassault Systemes | CAD software | |
| Sucrose | Fisher Scientific | 50-188-2419 | |
| Vacuum Desiccator | SPBEL-ART | F42400-2121 | |
| Wooden spatula | Fisher Scientific | NC0304136 | Tongue Depressors Wood NS 6" |
Riferimenti
- Kim, Y., Kim, K., Park, Y. Measurement techniques for red blood cell deformability: recent advances. Blood Cell—An Overview of Studies in Hematology. 10, 167-194 (2012).
- Safeukui, I., et al. Quantitative assessment of sensing and sequestration of spherocytic erythrocytes by the human spleen. Blood, The Journal of the American Society of Hematology. 120 (2), 424-430 (2012).
- Naghedi-Baghdar, H., et al. Effect of diet on blood viscosity in healthy humans: a systematic review. Electronic physician. 10 (3), 6563 (2018).
- Franco, R. S. Measurement of red cell lifespan and aging. Transfusion Medicine and Hemotherapy. 39 (5), 302-307 (2012).
- Matthews, K., Lamoureux, E. S., Myrand-Lapierre, M. -. E., Duffy, S. P., Ma, H. Technologies for measuring red blood cell deformability. Lab on a Chip. 22, 1254-1274 (2022).
- Kim, J., Lee, H., Shin, S. Advances in the measurement of red blood cell deformability: A brief review. Journal of Cellular Biotechnology. 1 (1), 63-79 (2015).
- Varga, A., Matrai, A. A., Barath, B., Deak, A., Horvath, L., Nemeth, N. Interspecies diversity of osmotic gradient deformability of red blood cells in human and seven vertebrate animal species. Cells. 11 (8), 1351 (2022).
- Doh, I., Lee, W. C., Cho, Y. -. H., Pisano, A. P., Kuypers, F. A. Deformation measurement of individual cells in large populations using a single-cell microchamber array chip. Applied Physics Letters. 100 (17), 173702 (2012).
- Al Safi, A., Bazuin, B. Toward digital transmitters with amplitude shift keying and quadrature amplitude modulators implementation examples. , 1-7 (2017).
- Zhang, J., Chen, K., Fan, Z. H. Circulating tumor cell isolation and analysis. Advances in Clinical Chemistry. 75, 1-31 (2016).
- Cottet, J., Fabregue, O., Berger, C., Buret, F., Renaud, P., Frénéa-Robin, M. MyDEP: a new computational tool for dielectric modeling of particles and cells. Biophysical Journal. 116 (1), 12-18 (2019).
- Haywood, M. Interpreting the full blood count. InnovAiT. 15 (3), 131-137 (2022).
- Qiang, Y., Liu, J., Dao, M., Suresh, S., Du, E. Mechanical fatigue of human red blood cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (40), 19828-19834 (2019).
- Gharaibeh, B., et al. Isolation of a slowly adhering cell fraction containing stem cells from murine skeletal muscle by the preplate technique. Nature Protocols. 3 (9), 1501-1509 (2008).
- Qiang, Y., Liu, J., Dao, M., Du, E. In vitro assay for single-cell characterization of impaired deformability in red blood cells under recurrent episodes of hypoxia. Lab on a Chip. 21 (18), 3458-3470 (2021).
