Blutsenkungsgeschwindigkeit: Eine physikgetriebene Charakterisierung im medizinischen Kontext

Summary

Die Blutsenkungsgeschwindigkeit (BSG) ist ein physikalischer Parameter, der häufig bei routinemäßigen Gesundheitsuntersuchungen und medizinischen Diagnosen verwendet wird. Vor kurzem wurde ein theoretisches Modell entwickelt, das es ermöglicht, physikalisch bedeutsame Parameter aus der gesamten Sedimentationskurve zu extrahieren, basierend auf modernen kolloidalen Erkenntnissen. Hier stellen wir ein Protokoll vor, um den ESR im Laufe der Zeit automatisch zu erfassen und die Parameter dieses aktuellen Modells aus dieser automatisierten Datenerfassung zu extrahieren. Diese verfeinerten Parameter dürften auch die medizinische Aussage verbessern.

Abstract

Die Blutsenkungsgeschwindigkeit (BSG) der Erythrozyten (oder roten Blutkörperchen) ist ein physikalisch abgeleiteter Parameter des Blutes, der häufig bei routinemäßigen Gesundheitsuntersuchungen und medizinischen Diagnosen verwendet wird. So wird beispielsweise bei einer Entzündung aufgrund des damit verbundenen Anstiegs von Fibrinogen und anderen Plasmaproteinen ein höherer BSG beobachtet. Es wurde angenommen, dass dieser Anstieg auf die Bildung größerer Aggregate roter Blutkörperchen (RBCs) zurückzuführen ist, die durch den Anstieg des Fibrinogens verursacht werden. In der Tat ist Fibrinogen eine wirkstofffördernde Aggregation von Erythrozyten und im Stokes-Regime, von der angenommen wird, dass sie in Blut beobachtet wird, sedimentieren größere Aggregate schneller. Alle Modelle von ESR-Messungen, die auf dieser Hypothese basieren, erfordern jedoch weitere spezifische physikalische Annahmen, die in keinem anderen System erforderlich sind. Darüber hinaus haben moderne Studien auf dem Gebiet kolloidaler Suspensionen festgestellt, dass attraktive Partikel perkolierende Aggregate bilden (d.h. Aggregate, die so breit wie der Behälter sind). Auf die Sedimentation dieser Kolloide folgt dann ein sogenannter “kolloidaler Gelkollaps”. Kürzlich wurde gezeigt, dass Erythrozyten tatsächlich dem gleichen Verhalten folgen. Diese Hypothese erlaubt es auch, die Sedimentationskurve von Erythrozyten effizient und analytisch zu modellieren, aus denen robuste und physikalisch aussagekräftige Deskriptoren extrahiert werden können. Dieses Manuskript beschreibt, wie eine solche Analyse durchgeführt wird, und diskutiert die Vorteile dieses Ansatzes.

Introduction

Die Blutsenkungsgeschwindigkeit (BSG) ist ein medizinisches klinisches In-vitro-Instrument, das im zwanzigsten Jahrhundert offiziell in der evidenzbasierten Medizin eingeführt wurde 1,2,3,4. Er wird derzeit weltweit als unspezifischer Entzündungstest oder zur Überwachung der Entwicklung bestimmter Erkrankungen eingesetzt 5,6,7,8. Dies ist vor allem auf einen Anstieg der Fibrinogenkonzentration, aber auch in anderen Plasmabestandteilen wie IgM 1,9,10,11 zurückzuführen. Nach dem aktuellen Westergren-Standardprotokoll werden ESR-Werte als Messung der zellfreien Plasmaschicht zu einem bestimmten Zeitpunkt (30 min oder 1 h) nach dem Verlassen eines vertikalen Röhrchens mit einer typischen Größe von 20 cm vertikal im Ruhezustand angegeben¹². Diese Messmethode steht jedoch in der Kritik, da qualitativ unterschiedliche Stadien im Sedimentationsprozess berichtet wurden, einschließlich einer Verzögerung vor Erreichen der maximalen Setzgeschwindigkeit¹³. Diese Verzögerung dauert bei etwa der Hälfte der gesunden Proben mehr als 1 h¹⁴. Die Geschwindigkeit während dieser Phase gehorcht einer anderen Skalierung als während der zweiten, schnelleren Phase der Sedimentation¹⁵. Durch die Beschränkung der Ablesung auf die durchschnittliche Absetzgeschwindigkeit während der ersten Stunde wird dann eine unterschiedliche Mischung verschiedener Bluteigenschaften zwischen verschiedenen Individuen verglichen.

Darüber hinaus wurde kürzlich gezeigt, dass die üblichen theoretischen Überlegungen hinter diesem Protokoll falsch waren^16,17,18. Bei physiologischem Hämatokrit (über ca. 25%) sedimentieren die roten Blutkörperchen (RBCs) nicht als separate Aggregate, sondern als kontinuierliches, sogenanntes perkolierendes Netzwerk von Erythrozyten 17,18, das einem anderen Satz physikalischer Gleichungen gehorcht als die üblicherweise erwähnte Stokes-Sedimentation ^16,17. Es konnte gezeigt werden, dass die Betrachtung einer physikalischen Beschreibung, die auf den zeitaufgelösten Messungen der Sedimentation (ganze Kurve) basiert, in einigen neuen medizinischen Kontexten robuster war^19,20. Darüber hinaus könnten diese Messungen verwendet werden, um die physikalischen Mechanismen zu beleuchten, die die BSG bei Pathologien verändern, bei denen die Zellform verändert ist^19,20. Darüber hinaus kann eine langsame BSG eine nützliche medizinische Interpretation haben, wie die Messungen einer Kohorte von Patienten mit Neuroacanthozytose-Syndrom^{zeigen 19,20}. Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, wie die Messung physikalisch sinnvoller Parameter auf der Grundlage der gesamten ESR-Kinetik praktisch implementiert werden kann. Genauer gesagt extrahiert die hier vorgestellte Methode die maximale Sedimentationsgeschwindigkeit U_m, deren Wert korrigiert werden kann, um den Effekt des Hämatokrit des Donors^{zu berücksichtigen 16,17}. Dieser Parameter ist genauer und damit zuverlässiger als die herkömmliche Messung^16,17,19,20.

Darüber hinaus ist es in der Grundlagenforschung interessant, den Einfluss des Hämatokrits auf den BSG^{auszuschließen} 21,22,23 oder die Rolle der Erythrozyten bei einem modifizierten BSG zu untersuchen, anstatt den Entzündungszustand eines bestimmten Patienten zu überwachen 19,20,24,25 zwischen verschiedenen Spendern. Es kann sinnvoll sein, Proben zu vergleichen, bei denen es sich nicht direkt um Vollblutproben von Patienten handelt. Daher könnte die Resuspendierung von Erythrozyten mit einem kontrollierten Hämatokrit im autologen Plasma oder in einem Plasmasubstituenten als erster Schritt der BSG-Messung verwendet werden. Beispielsweise erzeugen Lösungen von Dextran 70 kDa mit einer Konzentration von 55 mg/ml in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) einen Sedimentationsbereich innerhalb des Kontrollbereichs für gesunde Zellen¹⁹. Dieses Manuskript zeigt auch, wie solche Schritte durchgeführt werden sollten und dass die vorgestellte Analyse auch in diesen Fällen relevant ist.

Protocol

Die Blutentnahme und die Experimente wurden von der Ärztekammer des Saarlandes, ethics votum 51/18, genehmigt und nach Einholung der Einverständniserklärung von Helsinki durchgeführt. Standardmessungen sollten mit Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA)-antikoaguliertem Blut (Standard-EDTA-Konzentration von 1,6 mg/ml Blut, europäische Norm NF EN ISO 6710) in Westergren-Röhrchen durchgeführt werden. Das Volumen, das zum Befüllen der Westergren-Röhre erforderlich ist, hängt vom Hersteller ab (da die unteren Teile ma…

Representative Results

Ein Beispiel für eine korrekt aufgenommene Bildsequenz ist als Supplementary Movie 1 (MovieS1.avi) dargestellt. In Abbildung 2 ist eine Reihe von charakteristischen Anpassungen des Modells für verschiedene Bedingungen dargestellt. Die Fibrinogenkonzentration wurde aus der Fibrinogenkonzentration im Plasma Fib0 bestimmt, unter der Annahme, dass das Serum überhaupt kein Fibrinogen enthält. Daher ist Fib = C Fib0, wobei C der…

Discussion

Damit das automatisierte Protokoll effizient funktioniert, ist es wichtig, einen klaren Hintergrund und eine gute Beleuchtung zu haben. Ein dunkler Hintergrund kann das Vorhandensein eines effizienten Binarisierungsschwellenwerts verhindern. Bei Proben mit einer gewissen Hämolyse, die in der Regel im Laufe der Zeit auftritt (zunimmt), ist es wichtig, zunächst zu überprüfen, ob die gewählte Binarisierungsschwelle sowohl für das Anfangs- als auch für das Endbild relevant ist.

Wenn es um d…

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.