Evoluzione dell'area superficiale e del modulo di taglio della membrana dei globuli rossi umani maturati durante la fatica meccanica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8563 (2023) Citare questo articolo

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Le proprietà meccaniche dei globuli rossi (RBC) cambiano durante la loro senescenza, supportando numerosi processi fisiologici o patologici nei sistemi circolatori fornendo ambienti meccanici cellulari cruciali di emodinamica. Tuttavia, mancano in gran parte studi quantitativi sull’invecchiamento e sulle variazioni delle proprietà dei globuli rossi. Qui, indaghiamo i cambiamenti morfologici, l'ammorbidimento o l'irrigidimento dei singoli globuli rossi durante l'invecchiamento utilizzando un modello di fatica meccanica in vitro. Utilizzando un sistema microfluidico con microtubi, i globuli rossi sono ripetutamente soggetti ad allungamento e rilassamento mentre entrano ed escono da una regione di contrazione improvvisa. I parametri geometrici e le proprietà meccaniche dei globuli rossi umani sani sono caratterizzati sistematicamente in ogni ciclo di carico meccanico. I nostri risultati sperimentali identificano tre tipiche trasformazioni di forma dei globuli rossi durante la fatica meccanica, tutte fortemente associate alla perdita di area superficiale. Abbiamo costruito modelli matematici per l'evoluzione dell'area superficiale e del modulo di taglio della membrana dei singoli globuli rossi durante la fatica meccanica e sviluppato quantitativamente un parametro di insieme per valutare lo stato di invecchiamento dei globuli rossi. Questo studio fornisce non solo un nuovo modello di fatica in vitro per studiare il comportamento meccanico dei globuli rossi, ma anche un indice strettamente correlato all'età e alle proprietà fisiche intrinseche per una differenziazione quantitativa dei singoli globuli rossi.

Nei mammiferi, i globuli rossi (RBC) sono tra le cellule più importanti per il mantenimento delle condizioni di vita mentre viaggiano continuamente attraverso vasi circolatori di varie dimensioni e spazi ristretti. Durante la durata di vita tipica di 120 giorni di un globulo rosso umano, cambia le proprietà geometriche e meccaniche con l'invecchiamento cellulare1,2,3 e mostra fenotipi biofisici per la diagnosi di varie malattie4,5. Diversamente dalla senescenza delle cellule nucleate, i globuli rossi non hanno un nucleo e quindi mostrano una regolazione unica per l'invecchiamento cellulare. Mentre i globuli rossi si insinuano ripetutamente attraverso la microvascolarizzazione e le fessure interendoteliali spleniche submicroniche (IES) e attraversano la macrovascolarizzazione, subiscono un significativo ciclo meccanico attraverso un ampio allungamento e rilassamento elastico6. Tra una delle questioni più importanti per la biologia dei globuli rossi, l'effetto della fatica meccanica sulla senescenza dei globuli rossi non è stato affrontato quantitativamente.

Durante l'invecchiamento cellulare, i globuli rossi perdono parzialmente le loro membrane, portando a un cambiamento nella loro morfologia da a forma di coppa a una forma discoidale biconcava stabile7. I globuli rossi mantengono le loro forme cellulari ottimali durante la circolazione a lungo termine generando microvescicole8,9 e regolando il volume cellulare10 per rimuovere il danno cellulare, compreso il danno alla membrana dovuto all'affaticamento meccanico e allo stress ossidativo3. L'analisi delle caratteristiche fisiche che confrontano i globuli rossi giovani con quelli invecchiati1,2,11 utilizza la marcatura di isotopi, biotina o emoglobina glicata (HbA1c) come marcatori per l'età cellulare11,12 e supporta il fatto che il volume e l'area superficiale diminuiscono in modo monotono con l'invecchiamento cellulare. Ma le osservazioni sul cambiamento del modulo di taglio della membrana durante l'invecchiamento cellulare non sono coerenti: Sutera et al.13 hanno osservato un aumento significativo del modulo elastico della membrana dei globuli rossi durante l'invecchiamento cellulare in vivo, mentre Li et al.14 hanno affermato che i reticolociti sono più rigidi rispetto agli eritrociti maturi.

A causa della mancanza di nucleo e mRNA, i globuli rossi rispondono principalmente passivamente al loro microambiente meccanico, pertanto, la sottoposizione dei globuli rossi a stimolazioni meccaniche durante la loro vita è probabilmente importante. È stato notato che il carico meccanico nella milza gioca un ruolo cruciale nella biologia dei globuli rossi. La struttura IES specifica della milza non solo facilita la maturazione attraverso la rimozione degli organelli reticolociti15, ma contribuisce anche all'alterazione del modulo di taglio della membrana, alla transizione della forma5,7,15 e all'eliminazione dei globuli rossi invecchiati o malati15,16,17. In questo caso, i flussi splenici con i globuli rossi che si comprimono attraverso un IES tipicamente lungo 0,65 μm e alto 2-3 μm sono caratteristiche cruciali della loro vescicolazione, poiché la densità delle connessioni scheletro-membrana è vulnerabile alla riduzione durante il ciclo meccanico con fessure estremamente strette18. Ciò è supportato dalla scoperta che si verifica una maggiore perdita di emoglobina nelle vescicole dei globuli rossi di individui con disturbi splenici rispetto a quelle di individui sani in vivo19. Inoltre, nelle malattie del sangue come la sferocitosi ereditaria, il tasso di perdita di superficie nei globuli rossi aumenta sotto carico ciclico splenico a causa dell'indebolimento della coesione tra il doppio strato lipidico e il citoscheletro17. Pertanto, il ciclo meccanico attraverso i vasi microcapillari e i lumi stretti come routine standard di stimolazione meccanica nella durata della vita dei globuli rossi implica un principio meccanico sottostante per la loro maturazione e invecchiamento. Pertanto, sono necessarie ulteriori indagini per comprendere l’evoluzione quantitativa dell’area superficiale e del modulo di taglio della membrana dei singoli globuli rossi con ciclo meccanico, in relazione al processo di invecchiamento dei globuli rossi.