Erythrocyte Sedimentation Rate: אפיון מונחה פיזיקה בהקשר רפואי

Summary

שיעור שקיעת אריתרוציטים (ESR) הוא פרמטר פיזי, המשמש לעתים קרובות בבדיקות בריאות שגרתיות ואבחון רפואי. לאחרונה פותח מודל תיאורטי המאפשר לחלץ פרמטרים בעלי משמעות פיזיקלית מכל עקומת השיקוע, המבוסס על ידע קולואידי מודרני. כאן, אנו מציגים פרוטוקול לאיסוף אוטומטי של ESR לאורך זמן, ומחלצים את הפרמטרים של מודל עדכני זה מאיסוף נתונים אוטומטי זה. פרמטרים מעודנים אלה עשויים לשפר גם את העדות הרפואית.

Abstract

שיעור שקיעת אריתרוציטים (או תאי דם אדומים) (ESR) הוא פרמטר נגזר פיזי של דם המשמש לעתים קרובות בבדיקות בריאות שגרתיות ואבחון רפואי. לדוגמה, במקרה של דלקת, ESR גבוה יותר הוא ציין בשל הגידול הקשורים פיברינוגן וחלבונים פלזמה אחרים. הוא האמין כי עלייה זו נובעת היווצרות של אגרגטים גדולים יותר של תאי דם אדומים (RBCs) שנגרמו על ידי הגידול בפיברינוגן. ואכן, פיברינוגן הוא צבירה המעודדת סוכנים של RBCs ובמשטר סטוקס – מניחים שהוא נצפה במשקעים אגרגטים גדולים יותר בדם. עם זאת, כל המודלים של מדידות ESR המבוססים על השערה זו דורשים הנחות פיזיקליות ספציפיות נוספות, שאינן נדרשות בשום מערכת אחרת. חוץ מזה, מחקרים מודרניים בתחום המתלים הקולואידים הוכיחו כי חלקיקים אטרקטיביים יוצרים אגרגטים מחלחלים (כלומר אגרגטים רחבים כמו המיכל). השקיעה של קולואידים אלה באה לאחר מה שמכונה “קריסת ג’ל קולואידית”. לאחרונה, הוכח כי RBCs למעשה בצע את אותה התנהגות. השערה זו מאפשרת גם למדל באופן יעיל ואנליטי את עקומת השקיעה של RBCs, שממנה ניתן לחלץ תיאורים חזקים ובעלי משמעות פיזית. כתב יד זה מתאר כיצד לבצע ניתוח כזה, ודן ביתרונות של גישה זו.

Introduction

שיעור שקיעת כדורית הדם (ESR) הוא כלי קליני רפואי במבחנה, שהוצג רשמית ברפואה מבוססת ראיות במהלך המאה העשרים 1,2,3,4. כיום משתמשים בו ברחבי העולם כבדיקה דלקתית לא ספציפית, או כדי לעקוב אחר האבולוציה של כמה תנאים ספציפיים 5,6,7,8. זאת בעיקר בשל עלייה בריכוז הפיברינוגן, אך גם ברכיבי פלזמה אחרים כגון IgM 1,9,10,11. על פי הפרוטוקול הסטנדרטי הנוכחי של Westergren, ערכי ESR מדווחים כמדידה של שכבת פלזמה נטולת תאים בנקודת זמן נתונה (30 דקות או 1 שעות) לאחר השארת צינור אנכי בגודל טיפוסי של 20 ס”מ אנכית במנוחה¹². עם זאת, שיטת מדידה זו זכתה לביקורת מכיוון שדווחו שלבים שונים מבחינה איכותית בתהליך השיקוע, כולל עיכוב לפני הגעה למהירות השיקוע המרבית¹³. עיכוב זה נמשך יותר משעה בכמחצית מהדגימות הבריאות¹⁴. המהירות בשלב זה מצייתת לקנה מידה שונה מאשר בשלב השני, המהיר יותר, של שיקוע¹⁵. הגבלת הקריאה למהירות השקיעה הממוצעת במהלך השעה הראשונה ואז משווה תערובת שונה של תכונות דם שונות בין אנשים שונים.

יתר על כן, לאחרונה הוכח כי השיקולים התיאורטיים הרגילים מאחורי פרוטוקול זה היו שגויים^16,17,18. בהמטוקריט פיזיולוגי (מעל כ-25%), תאי דם אדומים (RBCs) אינם משקעים כאגרגטים נפרדים, אלא כרשת רציפה, מה שנקרא חלחול, של RBCs 17,18, המצייתת למערכת שונה של משוואות פיזיקליות מאשר שקיעת סטוקס ^16,17 המוזכרת בדרך כלל. הוכח כי התחשבות בתיאור פיזי המבוסס על מדידות שנפתרו בזמן של השקיעה (העקומה כולה) הייתה חזקה יותר בכמה הקשרים רפואיים חדשים^19,20. יתר על כן, מדידות אלה יכולות לשמש כדי לשפוך אור על המנגנונים הפיזיים המשנים את ESR בפתולוגיות שבהן צורות התא משתנות^19,20. בנוסף, ESR איטי יכול להיות פרשנות רפואית שימושית, כפי שצוין במדידות של קבוצה של חולי תסמונת neuroacanthocytosis^19,20. מאמר זה סוקר כיצד ליישם באופן מעשי את המדידה של פרמטרים בעלי משמעות פיזית, בהתבסס על קינטיקה ESR כולה. ליתר דיוק, השיטה המוצגת כאן מחלצת את מהירות השקיעה המקסימלית U_m, שערכה ניתן לתקן כדי לשקול את השפעת ההמטוקריט של התורם^16,17. פרמטר זה מדויק יותר ולכן אמין יותר מהמדידה המסורתית^16,17,19,20.

בנוסף, בכמה מחקרים בסיסיים, במקום לפקח על מצב דלקת של חולה נתון, מעניין להוציא את ההשפעה של המטוקריט על ESR 21,22,23, או לחקור את התפקיד של RBCs ב ESR שונה 19,20,24,25 בין תורמים שונים. כדאי להשוות דגימות שאינן ישירות דגימות דם מלאות מחולים. לכן, השעיה מחדש של RBCs עם המטוקריט מבוקר בפלזמה האוטולוגית, או בתחליף פלזמה, עשויה לשמש כצעד הראשון של מדידת ESR. לדוגמה, תמיסות של דקסטרן 70 kDa עם ריכוז של 55 מ”ג/מ”ל במי מלח חוצצים פוספט (PBS) מייצרות טווח שיקוע בטווח הבקרה לתאים בריאים¹⁹. כתב יד זה מראה גם כיצד יש לבצע צעדים כאלה, וכי הניתוח המוצג רלוונטי גם במקרים אלה.

Protocol

איסוף דגימות דם וניסויים אושרו על ידי “Ärztekammer des Saarlandes”, ethics votum 51/18, ובוצעו לאחר שהתקבלה הסכמה מדעת על פי הצהרת הלסינקי. מדידות סטנדרטיות יש לבצע עם חומצה ethylenediaminetetraacetic (EDTA)-דם נוגד קרישה (ריכוז EDTA סטנדרטי של 1.6 מ”ג / מ”ל דם, הנורמה האירופית NF EN ISO 6710), בצינורות Westergren. הנפח הדרוש למילוי צינור ווסטר…

Representative Results

דוגמה לרצף תמונות שנרכש כהלכה מסופקת כסרט משלים 1 (MovieS1.avi). סדרה של התאמות אופייניות של המודל מוצגת עבור תנאים שונים באיור 2. ריכוז הפיברינוגן נקבע מריכוז הפיברינוגן בפלזמה Fib0, בהנחה שבסרום אין פיברינוגן כלל. לפיכך, Fib = C Fib0, כאשר C הוא חלק נפ…

Discussion

כדי שהפרוטוקול האוטומטי יעבוד ביעילות, חשוב שיהיה רקע ברור ותאורה מתאימה. רקע כהה עלול למנוע את קיומו של סף בינאריזציה יעיל. עבור דגימות עם המוליזה מסוימת, אשר מתרחשת בדרך כלל (עולה) לאורך זמן, חשוב לוודא תחילה כי סף בינאריזציה שנבחר רלוונטי הן עבור התמונה הראשונית והן עבור התמונה הסופית.

…

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.