적혈구 침강 속도: 의학적 맥락에서 물리학 기반 특성화
Summary
적혈구 침강 속도(ESR)는 일상적인 건강 검진 및 의료 진단에 자주 사용되는 물리적 매개변수입니다. 현대의 콜로이드 지식을 바탕으로 전체 침강 곡선에서 물리적으로 의미있는 매개 변수를 추출 할 수있는 이론적 모델이 최근에 개발되었습니다. 여기에서는 시간이 지남에 따라 ESR을 자동으로 수집하는 프로토콜을 제시하고 이 자동화된 데이터 수집에서 이 최신 모델의 매개변수를 추출합니다. 이러한 정제된 매개변수는 또한 의학적 증언을 향상시킬 수 있습니다.
Abstract
적혈구(또는 적혈구) 침강 속도(ESR)는 일상적인 건강 검진 및 의료 진단에 자주 사용되는 혈액의 물리적 파생 매개변수입니다. 예를 들어, 염증의 경우, 피브리노겐 및 기타 혈장 단백질의 증가와 관련하여 더 높은 ESR이 관찰됩니다. 이러한 증가는 피브리노겐의 증가로 인한 적혈구 (RBC)의 더 큰 응집체의 형성 때문인 것으로 여겨졌다. 실제로, 피브리노겐은 RBC의 작용제-촉진 응집체이며 스톡스 체제에서는 혈액이 더 큰 응집체 침전물에서 더 빨리 관찰되는 것으로 가정됩니다. 그러나 이 가설을 기반으로 하는 ESR 측정의 모든 모델에는 다른 시스템에서는 필요하지 않은 추가적인 물리적 가정이 필요합니다. 게다가, 콜로이드 현탁액 분야의 현대 연구는 매력적인 입자가 침투 응집체 (즉, 용기만큼 넓은 응집체)를 형성한다는 것을 입증했습니다. 이러한 콜로이드의 침전은 소위 “콜로이드 겔 붕괴”를 따릅니다. 최근에는 적혈구가 실제로 동일한 동작을 따르는 것으로 나타났습니다. 이 가설은 또한 RBC의 침전 곡선을 효율적이고 분석적으로 모델링할 수 있게 하며, 여기에서 강력하고 물리적으로 의미 있는 설명자를 추출할 수 있습니다. 이 원고는 이러한 분석을 수행하는 방법을 설명하고 이 접근 방식의 이점에 대해 설명합니다.
Introduction
적혈구 침강 속도 (ESR)는 20 세기 동안 증거 기반 의학에 공식적으로 도입 된 의료 체외 임상 도구입니다 1,2,3,4. 현재 전 세계적으로 비특이적 염증 검사로 사용되거나 일부 특정 조건의 진화를 모니터링하기 위해 사용됩니다 5,6,7,8. 이것은 주로 피브리노겐 농도의 증가뿐만 아니라 IgM 1,9,10,11과 같은 다른 혈장 성분에서도 발생합니다. 현재 웨스터그렌 표준 프로토콜에 따르면, ESR 값은 정지 상태에서 수직으로 20cm의 전형적인 크기의 수직 튜브를 떠난 후 주어진 시점(30분 또는 1시간)에서 무세포 혈장층의 측정으로 보고됩니다(12). 그러나, 이 측정 방법은 최대 침강 속도(13)에 도달하기 전의 지연을 포함하여 침전 과정에서 질적으로 상이한 단계들이 보고되었기 때문에 비판을 받아왔다. 이 지연은 건강한 샘플의 약 절반에서 1시간 이상 지속된다14. 이 단계 동안의 속도는 침전의 두 번째, 더 빠른 단계 동안과는 다른 스케일링을 따른다15. 판독값을 처음 1시간 동안의 평균 침강 속도로 제한하면 서로 다른 개인 간의 다양한 혈액 특성의 다른 혼합을 비교합니다.
더욱이, 이 프로토콜의 이면에 있는 일반적인 이론적 고려 사항이 잘못된 것으로 최근에 입증되었습니다16,17,18. 생리적 헤마토크릿(약 25% 이상)에서 적혈구(RBC)는 별도의 응집체로 침전되지 않고, 오히려 일반적으로 언급되는 스톡스 침전(Stokes sedimentation)16,17과는 다른 물리적 방정식을 따르는 적혈구(RBC)의 연속적인, 소위 침투(percolating) 네트워크(percolating)로 침전된다. 침전의 시간 분해 측정(전체 곡선)을 기반으로 한 물리적 설명을 고려하는 것이 일부 새로운 의학적 맥락에서 더 강력하다는 것이 나타났습니다(19,20). 또한, 이러한 측정은 세포 모양이 변경되는 병리학에서 ESR을 변경하는 물리적 메커니즘을 밝히는 데 사용될 수 있습니다19,20. 또한, 느린 ESR은 neuroacanthocytosis 증후군 환자19,20의 코호트 측정에서 나타난 바와 같이 유용한 의학적 해석을 가질 수 있습니다. 이 기사에서는 전체 ESR 동역학을 기반으로 물리적으로 의미 있는 매개변수의 측정을 실제로 구현하는 방법을 검토합니다. 보다 정확하게는, 여기에 제시된 방법은 최대 침강 속도 Um을 추출하며, 그 값은 공여체의 헤마토크릿 효과를 고려하여 보정 될 수 있습니다16,17. 이 매개변수는 기존의 측정치(16,17,19,20)보다 더 정확하고 신뢰할 수 있습니다.
또한, 일부 기초 연구에서, 주어진 환자의 염증 상태를 모니터링하는 대신에, ESR 21,22,23에 대한 헤마토크릿의 효과를 배제하거나, 변형된 ESR 19,20,24,25에서 적혈구의 역할을 조사하는 것은 흥미로울 것이다 다른 기증자 사이. 환자의 직접 전혈 샘플이 아닌 샘플을 비교하는 것이 유용할 수 있습니다. 따라서 자가 혈장 또는 혈장 치환기에서 제어된 헤마토크릿으로 적혈구를 재현탁하는 것이 ESR 측정의 첫 번째 단계로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 인산염 완충 식염수(PBS)에 55mg/mL 농도의 덱스트란 70kDa 용액은 건강한 세포에 대한 제어 범위 내에서 침강 범위를 생성한다19. 이 원고는 또한 그러한 단계가 어떻게 수행되어야 하는지, 그리고 제시된 분석이 이러한 경우에도 관련이 있음을 보여줍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
자동화된 프로토콜이 효율적으로 작동하려면 명확한 배경과 적절한 조명이 있어야 합니다. 배경이 어두우면 효율적인 이진화 임계값이 존재하지 않을 수 있습니다. 일반적으로 시간이 지남에 따라 발생하는(증가하는) 일부 용혈이 있는 샘플의 경우 선택한 이진화 임계값이 초기 및 최종 사진 모두와 관련이 있는지 먼저 확인하는 것이 중요합니다.
그림의 이진화 과정과 관련…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 독일 연구 재단의 연구 단위 FOR 2688 – Wa1336/12와 Marie Skłodowska-Curie 보조금 계약 번호 860436-EVIDENCE의 지원을 받았습니다. T.J.와 C.W.는 프랑스 독일 대학교(DFH/UFA)의 자금 지원을 인정합니다. AD는 Saarland University의 Young Investigator Grant의 자금 지원을 인정합니다.
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).
