जैविक कोशिकाओं की यांत्रिक थकान का मूल्यांकन करने के लिए आयाम-मॉड्यूलेटेड इलेक्ट्रोडविरूपण
Summary
यहां प्रस्तुत एक आयाम-मॉड्यूलेटेड इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन दृष्टिकोण का उपयोग करके मानव लाल रक्त कोशिकाओं के मामले में यांत्रिक थकान परीक्षण के लिए एक प्रोटोकॉल है। इस सामान्य दृष्टिकोण का उपयोग चक्रीय विरूपण से निलंबन में जैविक कोशिकाओं की रूपात्मक और बायोमैकेनिकल विशेषताओं में व्यवस्थित परिवर्तनों को मापने के लिए किया जा सकता है।
Abstract
लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी) को उनकी उल्लेखनीय विकृति के लिए जाना जाता है। माइक्रोसर्कुलेशन से गुजरते समय वे बार-बार काफी विकृति से गुजरते हैं। शारीरिक रूप से वृद्ध आरबीसी में कम विकृति देखी जाती है। सेल विकृति को मापने के लिए मौजूदा तकनीकों का उपयोग आसानी से थकान को मापने के लिए नहीं किया जा सकता है, चक्रीय भार के कारण कोशिका झिल्ली में क्रमिक गिरावट। हम एक माइक्रोफ्लुइडिक चैनल में आयाम शिफ्ट कीइंग (एएसके) मॉड्यूलेशन-आधारित इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन का उपयोग करके चक्रीय कतरनी तनाव से आरबीसी में यांत्रिक गिरावट का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं। संक्षेप में, माइक्रोफ्लुइडिक चैनल में इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड सिग्नल जनरेटर का उपयोग करके रेडियो आवृत्तियों पर कम वोल्टेज वैकल्पिक प्रवाह के साथ उत्तेजित होते हैं। निलंबन में आरबीसी विद्युत क्षेत्र का जवाब देते हैं और सकारात्मक वैद्युतकणसंचलन (डीईपी) प्रदर्शित करते हैं, जो कोशिकाओं को इलेक्ट्रोड किनारों पर ले जाता है। कोशिकाओं को तब दो सेल हिस्सों पर लगाए गए विद्युत बलों के कारण फैलाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एकअक्षीय खिंचाव होता है, जिसे इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन के रूप में जाना जाता है। कतरनी तनाव का स्तर और परिणामी विरूपण को उत्तेजना तरंग के आयाम को बदलकर आसानी से समायोजित किया जा सकता है। यह उच्च थ्रूपुट पर छोटे और बड़े विरूपण के जवाब में आरबीसी की गैर-रेखीय विकृति की मात्रा का परिमाणीकरण करने में सक्षम बनाता है। एएसके रणनीति के साथ उत्तेजना तरंग को संशोधित करना प्रोग्राम करने योग्य लोडिंग दरों और आवृत्तियों के साथ चक्रीय इलेक्ट्रोडविरूपण को प्रेरित करता है। यह आरबीसी थकान के लक्षण वर्णन के लिए एक सुविधाजनक तरीका प्रदान करता है। हमारा एएसके-मॉड्यूलेटेड इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन दृष्टिकोण पहली बार, चक्रीय भार से आरबीसी थकान का प्रत्यक्ष माप सक्षम करता है। इसका उपयोग सामान्य बायोमैकेनिकल परीक्षण के लिए एक उपकरण के रूप में किया जा सकता है, अन्य सेल प्रकारों और रोगग्रस्त स्थितियों में सेल विकृति और थकान के विश्लेषण के लिए, और कोशिकाओं के माइक्रोएन्वायरमेंट को नियंत्रित करने के लिए रणनीतियों के साथ भी जोड़ा जा सकता है, जैसे ऑक्सीजन तनाव और जैविक और रासायनिक संकेत।
Introduction
लाल रक्त कोशिकाएं (आरबीसी)मानव शरीर में सबसे विकृत कोशिकाएं हैं। उनकी विकृति सीधे उनकी ऑक्सीजन-वहन कार्यक्षमता से संबंधित है। आरबीसी में कम विकृति को कई आरबीसी विकारों के रोगजनन के साथ सहसंबंधित पाया गयाहै। विकृति माप ने हमें आरबीसी से संबंधित बीमारियों की बेहतर समझ के लिए प्रेरित कियाहै। आरबीसी का सामान्य जीवनकाल 70 से 140 दिन 4 तक भिन्न हो सकताहै। इसलिए, यह मापना महत्वपूर्ण है कि उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के साथ उनकी विकृति कैसे कम हो जाती है, उदाहरण के लिए, चक्रीय कतरनी तनाव के कारण उनका थकान व्यवहार3।
उच्च थ्रूपुट पर आरबीसी विकृति को मापना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि पिकोनेवटन स्केल बल (~ 10-12 एन) जो व्यक्तिगत कोशिकाओं पर लागू होते हैं। पिछले एक दशक में, सेल विकृतिको मापने के लिए कई प्रौद्योगिकियां विकसित की गई हैं। एकल-कोशिका स्तर पर आरबीसी के विरूपण माप पिपेट एस्पिरेशन और ऑप्टिकल ट्वीज़र्स द्वारा किए जा सकते हैं, जबकि थोक विश्लेषण आसमाटिक ग्रेडिएंट एकतासाइटोमेट्री द्वारा किया जाता है। एकतासाइटोमेट्री विश्लेषण डेटा की एक बहुतायत प्रदान करता है, जो रक्त विकारों 6,7 का निदान करने का अवसर प्रदान करता है। कोलाइड प्रोब परमाणु बल माइक्रोस्कोपी द्वारा विस्कोस्टिक सिद्धांत का उपयोग करके आरबीसी की विकृति का भी विश्लेषण किया जा सकता है। इस विधि में, समय-निर्भर और स्थिर-राज्य प्रतिक्रियाओं दोनों पर विचार करते हुए, आरबीसी के लोचदार मापांक का अनुमान लगाने के लिए कम्प्यूटेशनल विश्लेषण लागू किया जाता है। एकल-सेल माइक्रोचैंबर सरणी विधि का उपयोग करके व्यक्तिगत आरबीसी की विकृति को मापा जा सकता है। यह विधि झिल्ली और साइटोसोलिक फ्लोरोसेंट मार्करों के माध्यम से प्रत्येक कोशिका का विश्लेषण करती है ताकि आरबीसी विकृति और हेमेटोलॉजिकविकारों का पता लगाने के लिए जटिल आरबीसी आबादी में सेलुलर विशेषताओं के वितरण के लिए जानकारी प्रदान की जा सके।
इंजीनियर सामग्री और बायोमैटेरियल्स के गुणों के क्षरण में थकान एक महत्वपूर्ण कारक है। थकान परीक्षण चक्रीय लोडिंग के अधीन संरचना की अखंडता और दीर्घायु का मात्रात्मक विश्लेषण सक्षम बनाता है। जैविक कोशिकाओं में थकान का विश्लेषण लंबे समय से कोशिका झिल्ली में चक्रीय विरूपण के कार्यान्वयन के लिए एक सामान्य, आसानी से लागू, उच्च थ्रूपुट और मात्रात्मक विधि की कमी से बाधित हुआ है। यह एक माइक्रोफ्लुइडिक सेटिंग में लागू विद्युत संकेत मॉड्यूलेशन और इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन तकनीकों के उपयोग के साथ संभव है। डिजिटल मॉड्यूलेशन के रूप में आयाम शिफ्ट कीइंग (एएसके) तकनीक इस लेख में ऑन-ऑफ कीइंग (ओओके) मॉड्यूलेशन के माध्यम से लागू की जाती है। कीइंग की अवधारणा चैनल पर डिजिटल संकेतों के प्रसारण को संदर्भित करती है, जिसे फ़ंक्शन9 के लिए साइन वेव कैरियर सिग्नल की आवश्यकता होती है। चालू और बंद समय समान सेट किया जा सकता है। ऑन-कीइंग के तहत, आरबीसी एक विकृत स्थिति में प्रवेश करते हैं, जबकि गैर-समान विद्युत क्षेत्र द्वारा बनाए गए बाहरी इलेक्ट्रोडविरूपण बल (एफडेप) 10 के संपर्क में आते हैं। ऑफ-कीइंग के तहत, आरबीसी अपनी आराम की स्थिति में हैं। हम आरबीसी की थकान का निरीक्षण करते हैं, अर्थात् बढ़ते लोडिंग चक्रों के साथ खिंचाव करने की उनकी क्षमता में प्रगतिशील गिरावट। आरबीसी में थकान से प्रेरित विकृति हानि रक्त परिसंचरण के दौरान संचित झिल्ली क्षति में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है, जिससे हमें सेल थकान और रोग की स्थिति के बीच संबंधों की जांच करने में सक्षम बनाया जा सकता है।
यहां हम चरण-दर-चरण प्रक्रियाएं प्रदान करते हैं कि एएसके-मॉड्यूलेटेड इलेक्ट्रोडफॉर्मेशन के माध्यम से माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में आरबीसी के थकान परीक्षण को कैसे लागू किया जाता है और आरबीसी की यांत्रिक विकृति में क्रमिक गिरावट के लक्षण वर्णन के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस, मैकेनिकल लोडिंग और माइक्रोस्कोपिक इमेजिंग जैसे सिस्टम सेटिंग्स।
Protocol
Representative Results
Discussion
डीईपी बल-उत्प्रेरण साइन तरंग के एएसके ओओके मॉड्यूलेशन का उपयोग लंबे समय तक आरबीसी की यांत्रिक थकान का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। इस प्रोटोकॉल में, हमने सेल विकृति पर संभावित प्रतिकूल चयापचय ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को हीमोग्लोबिन-आधारित कृत्रिम ऑक्सीजन वाहक (# 1941655) और स्वस्थ और रोगग्रस्त लाल रक्त कोशिकाओं के एनएसएफ / सीएमएमआई गतिशील और थकान विश्लेषण (# 1635312) के एनएसएफ / सीएमएमआई मेकेनोबायोलॉजी द्वारा वित्त पोषित किया गया है।
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" |
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