赤血球沈降速度:医療における物理学主導の特性評価
Summary
赤血球沈降速度(ESR)は物理的パラメータであり、定期的な健康診断や医療診断でよく使用されます。現代のコロイド知識に基づいて、沈降曲線全体から物理的に意味のあるパラメータを抽出することを可能にする理論モデルが最近開発されました。ここでは、経時的にESRを自動的に収集し、この自動データ収集からこの最近のモデルのパラメータを抽出するプロトコルを提示します。これらの洗練されたパラメータは、医学的証言を改善する可能性もあります。
Abstract
赤血球(または赤血球)沈降速度(ESR)は、定期的な健康診断や医療診断でよく使用される血液の物理的派生パラメータです。例えば、炎症の場合、フィブリノーゲンおよび他の血漿タンパク質の関連する増加のために、より高いESRが観察される。この増加は、フィブリノーゲンの増加によって引き起こされた赤血球(RBC)のより大きな凝集体の形成によるものと考えられていました。実際、フィブリノーゲンは赤血球の凝集を促進する薬剤であり、ストークス体制では、血液中のより大きな凝集体堆積物がより早く観察されると考えられています。ただし、この仮説に基づくESR測定のすべてのモデルには、他のシステムでは必要とされない、さらに特定の物理的仮定が必要です。その上、コロイド懸濁液の分野における現代の研究は、魅力的な粒子が浸透する凝集体(すなわち、容器と同じ幅の凝集体)を形成することを確立した。これらのコロイドの沈降は、いわゆる「コロイドゲル崩壊」に続く。最近、RBCが実際に同じ動作に従うことが示されています。この仮説はまた、赤血球の沈降曲線を効率的かつ分析的にモデル化することを可能にし、そこから堅牢で物理的に意味のある記述子を抽出することができます。この原稿では、このような分析を実行する方法について説明し、このアプローチの利点について説明します。
Introduction
赤血球沈降速度(ESR)は、20世紀にエビデンスに基づく医学に正式に導入された医療in vitro臨床ツールです1,2,3,4。現在、非特異的炎症検査として、またはいくつかの特定の状態の進行を監視するために世界中で使用されています5、6、7、8。これは主にフィブリノーゲン濃度の増加によるものですが、IgM 1,9,10,11などの他の血漿成分にも起因しています。現在のWestergren標準プロトコルによれば、ESR値は、安静時に垂直に20cmの典型的なサイズの垂直管を放置した後の所与の時点(30分または1時間)における無細胞血漿層の測定値として報告される12。しかし、この測定方法は、最大沈降速度13に達するまでの遅延など、沈降過程の質的に異なる段階が報告されているため、批判されてきました。この遅延は、健康なサンプルの約半分で1時間以上続きます14。この段階の間の速度は、沈降15の第2のより速い段階の間とは異なるスケーリングに従う。読み出しを最初の1時間の平均沈降速度に制限し、異なる個人間のさまざまな血液特性の異なる組み合わせを比較します。
さらに、このプロトコルの背後にある通常の理論的考慮事項が誤っていたことが最近実証されました16,17,18。生理的ヘマトクリット値(約25%以上)では、赤血球(RBC)は別々の凝集体として沈降するのではなく、通常言及されているストークス沈降とは異なる一連の物理方程式に従う、RBCの連続した、いわゆるパーコレーションネットワーク17,18として沈降します16,17。沈降(曲線全体)の時間分解測定値に基づく物理的記述を考慮することは、いくつかの新しい医学的文脈においてより堅牢であることが示されている19,20。さらに、これらの測定値は、細胞の形状が変化する病状におけるESRを変化させる物理的メカニズムを明らかにするために使用できます19,20。さらに、遅いESRは、神経表皮球症症候群患者のコホートの測定に示されるように、有用な医学的解釈を有することができる19,20。この記事では、ESRキネティクス全体に基づいて、物理的に意味のあるパラメータの測定を実際に実装する方法をレビューします。より正確には、ここに提示された方法は、最大沈降速度Umを抽出し、その値は、ドナー16、17のヘマトクリットの影響を考慮するように補正することができる。このパラメータは、従来の測定値16,17,19,20よりも正確であり、信頼性が高い。
さらに、いくつかの基礎研究では、特定の患者の炎症状態を監視する代わりに、ESR21,22,23に対するヘマトクリットの影響を除外するか、修正ESR19,20,24,25における赤血球の役割を調査することは興味深い。 異なるドナー間。患者からの直接の全血サンプルではないサンプルを比較することは有用かもしれません。したがって、ヘマトクリット値が制御されたRBCを自家血漿または血漿置換基に再懸濁することが、ESR測定の最初のステップとして使用できる可能性があります。例えば、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)中の濃度55 mg/mLのデキストラン70 kDaの溶液は、健康な細胞の対照範囲内の沈降範囲を生成します19。この原稿はまた、そのようなステップがどのように行われるべきか、そして提示された分析がこれらのケースにも関連していることを示しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
自動化されたプロトコルが効率的に機能するためには、明確な背景と適切な照明を持つことが重要です。背景が暗いと、効率的な二値化しきい値の存在が妨げられる可能性があります。通常、時間の経過とともに発生する(増加する)溶血のあるサンプルの場合、選択した二値化しきい値が初期画像と最終画像の両方に関連していることを最初に確認することが重要です。
…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ドイツ研究財団の研究ユニットFOR 2688-Wa1336/12およびマリー・スクウォドフスカ・キュリー助成契約第860436-EVIDENCEによって支援されました。T. J. と C. W. は、フランス・ドイツ大学(DFH/UFA)からの資金提供を認めています。A.D.は、ザールラント大学の若手研究者助成金による資金提供を認めています。
Materials
| Anticoagulant (EDTA or Heparin) tube (for blood sample) | SARSTEDT | 267001 or 265 | Anticoagulated blood sample to characterize |
| Camera EOS M50 | Canon | Kit EF-M18-150 IS STM | Any camera should work, provided that sector alimentation, connection to computer for automated shooting and adapted objective are available |
| Centrifuge | HERMLE | 302.00 V03 – Z 36 HK | Requirements: at least 3000 x g ofr 7 min. |
| Micro-centrifuge | MLW | TH21 | or any other way to determine the hematocrit |
| Micro-hematocrit capilaries | Fisher scientific | 11884040 | or other capillaries/containers for hematocrit determination |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | ThermoFisher | 10010023 | 1x PBS, pH 7.4, 298 Osm |
| Pipettes (e.g. positive displacement pipette) | Gilson | FD10006 | Pipette required to manipulate blood and/or packed cells.Other models are of course suitable, but be careful to treat blood and pakced cells as highly viscous fluids. |
| Wax sealing plate | Hirschmann | 9120101 | Sealing wax for the micro-hematocrit capillaries |
| Westergren tubes | Praxindo | A9244560 | Any other standard Wetsergren tube should work too |
| White background with illumination | / | / | White sheet(s) of paper behind the samples, with usual room light is perfcetly sufficient. |
Referências
- Bedell, S. E., Bush, B. T. Erythrocyte sedimentation rate. From folklore to facts. The American Journal of Medicine. 78, 1001-1009 (1985).
- Grzybowski, A., Sak, J. Edmund Biernacki (1866-1911): Discoverer of the erythrocyte sedimentation rate. On the 100th anniversary of his death. Clinics in Dermatology. 29 (6), 697-703 (2011).
- Kushner, I., Mackiewicz, A. . The Acute Phase Response: An Overview. Acute Phase Proteins. , (1993).
- Tishkowski, K., Gupta, V. Erythrocyte Sedimentation Rate. StatPearls Publishing. , (2022).
- Menees, S. B., Powell, C., Kurlander, J., Goel, A., Chey, W. D. A meta-analysis of the utility of C-reactive protein, erythrocyte sedimentation rate, fecal calprotectin, and fecal lactoferrin to exclude inflammatory bowel disease in adults with IBS. The Americal Journal of Gastroenterology. 110 (3), 444-454 (2015).
- Brigden, M. L. Clinical utility of the erythrocyte sedimentation rate. Americal Family Physician. 60 (5), 1443-1450 (1999).
- Liu, S., et al. Preliminary case-control study to evaluate diagnostic values of C-reactive protein and erythrocyte sedimentation rate in differentiating active Crohn’s disease from intestinal lymphoma, intestinal tuberculosis and Behcet’s syndrome. The American Journal of the Medical Sciences. 346 (6), 467-472 (2013).
- Greidanus, N. V., et al. Use of erythrocyte sedimentation rate and C-reactive protein level to diagnose infection before revision total knee arthroplasty: A prospective evaluation. The Journal of Bone and Joint Surgery. 89 (7), 1409-1416 (2007).
- Flormann, D., Kuder, E., Lipp, P., Wagner, C., Kaestner, L. Is there a role of C-reactive protein in red blood cell aggregation. International Journal of Laboratory Hematology. 37 (4), 474-482 (2015).
- Brust, M., et al. The plasma protein fibrinogen stabilizes clusters of red blood cells in microcapillary flows. Scientific Reports. 4, 4348 (2014).
- Gray, S. J., Mitchell, E. B., Dick, G. F. Effect of purified protein fractions on sedimentation rate of erythrocytes. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. 51 (3), 403-404 (1942).
- Kratz, A., et al. ICSH recommendations for modified and alternate methods measuring the erythrocyte sedimentation rate. International Journal of Laboratory Hematology. 39 (5), 448-457 (2017).
- Hung, W. T., Collings, A. F., Low, J. Erythrocyte sedimentation rate studies in whole human blood. Physics in Medicine and Biology. 39 (11), 1855-1873 (1994).
- Woodland, N. B., Cordatos, K., Hung, W. T., Reuben, A., Holley, L. Erythrocyte sedimentation in columns and the significance of ESR. Biorheology. 33 (6), 477-488 (1996).
- Holley, L., Woodland, N., Hung, W. T., Cordatos, K., Reuben, A. Influence of fibrinogen and haematocrit on erythrocyte sedimentation kinetics. Biorheology. 36 (4), 287-297 (1999).
- Dasanna, A. K., et al. Erythrocyte sedimentation: Effect of aggregation energy on gel structure during collapse. Physical Review. E. 105 (2-1), 024610 (2022).
- Darras, A., et al. Erythrocyte sedimentation: collapse of a high-volume-fraction soft-particle gel. Physical Review Letters. 128 (8), 088101 (2022).
- Darras, A., et al. Imaging erythrocyte sedimentation in whole blood. Frontiers in Physiology. 12, 729191 (2022).
- Darras, A., et al. Acanthocyte sedimentation rate as a diagnostic biomarker for neuroacanthocytosis syndromes: Experimental evidence and physical justification. Cells. 10 (4), 788 (2021).
- Rabe, A., et al. The erythrocyte sedimentation rate and its relation to cell shape and rigidity of red blood cells from chorea-acanthocytosis patients in an off-label treatment with dasatinib. Biomolecules. 11 (5), 727 (2021).
- Giavarina, D., Capuzzo, S., Pizzolato, U., Soffiati, G. Length of erythrocyte sedimentation rate (ESR) adjusted for the hematocrit: reference values for the TEST 1 method. Clinical Laboratory. 52 (5-6), 241-245 (2006).
- Bull, B. S. Is a standard ESR possible. Laboratory Medicine. 6 (11), 31-39 (1975).
- Bull, B. S., Brecher, G. An evaluation of the relative merits of the Wintrobe and Westergren sedimentation methods, including hematocrit correction. American Journal of Clinical Pathology. 62 (4), 502-510 (1974).
- Reinhart, W. H., Singh, A., Straub, P. W. Red blood cell aggregation and sedimentation: the role of the cell shape. British Journal of Haematology. 73 (4), 551-556 (1989).
- Jan, K., Usami, S., Smith, J. A. Influence of oxygen tension and hematocrit reading on ESRs of sickle cells: Role of RBC aggregation. Archives of Internal Medicine. 141 (13), 1815-1818 (1981).
- Issaq, H. J., Xiao, Z., Veenstra, T. D. Serum and plasma proteomics. Chemical Reviews. 107 (8), 3601-3620 (2007).
- Yu, Z., et al. Differences between human plasma and serum metabolite profiles. PLoS One. 6 (7), 21230 (2011).
- . Proper Pipetting Techniques – DE Available from: https://www.thermofisher.com/de/de/home/life-science/lab-plasticware-supplies/lab-plasticware-supplies-learning-center/lab-plasticware-supplies-resource-library/fundamentals-of-pipetting/proper-pipetting-techniques.html (2023)
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics. 9 (1), 62-66 (1979).
- Solomon, C., et al. A comparison of fibrinogen measurement methods with fibrin clot elasticity assessed by thromboelastometry, before and after administration of fibrinogen concentrate in cardiac surgery patients. Transfusion. 51 (8), 1695-1706 (2011).
- Norouzi, N., Bhakta, H. C., Grover, W. H. Sorting cells by their density. PLoS One. 12 (7), 0180520 (2017).
- Trudnowski, R. J., Rico, R. C. Specific gravity of blood and plasma at 4 and 37 degrees C. Clinical Chemistry. 20 (5), 615-616 (1974).
- Késmárky, G., Kenyeres, P., Rábai, M., Tóth, K. Plasma viscosity: A forgotten variable. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 39 (1-4), 243-246 (2008).
- Teece, L. J., et al. Gels under stress: The origins of delayed collapse. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 458, 126-133 (2014).
- Lindström, S. B., Kodger, T. E., Sprakel, J., Weitz, D. A. Structures, stresses, and fluctuations in the delayed failure of colloidal gels. Soft Matter. 8 (13), 3657-3664 (2012).
- Bartlett, P., Teece, L. J., Faers, M. A. Sudden collapse of a colloidal gel. Physical Review. E, Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 85, 021404 (2012).
