Исследователи сообщили о системе, которая количественно измеряет объем клетки, массу гемоглобина и насыщение кислорода в отдельных эритроцитах. Они обнаружили, что аффинность к кислороду различается в отдельных эритроцитах. Эти различия, вероятно, вызваны клеточной средой, а не концентрацией гемоглобина.

клетки кровиЭлектронная микрофотография клеток крови. Слева направо: эритроцит, тромбоцит, лейкоцит.

 

По словам ведущего автора, доктора Джузеппе Ди Каприо: «Мы разработали опто-жидкосную измерительную систему для количественного измерения сродства к кислороду большого количества эритроцитов, и мы нашли удивительные различия в силе связывания на уровне одной клетки, по отношению к средней величине».

Джузеппе Ди Каприо, Крис Стоукс, Джон М. Хиггинс и Этан Шонбрун из Института Роуленда в Гарвардском Университете, Гарвардской медицинской школы и Массачусетской общей больницы разработали систему, которая имитирует систему кровообращения, и соединили ее с оптической техникой, которая может провести количественное измерение in vivo информации отдельных эритроцитов. Их работы появится в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сродство к кислороду является важным клиническим параметром, который используют гематологи для диагностики нескольких заболеваний. Клинический показатель, который часто для этого используется, — это число p50, которое является парциальным давлением кислорода, при котором гемоглобин (переносящая кислород молекула в эритроцитах) на 50% насыщен кислородом. Каждый эритроцит имеет определенное количество гемоглобина. Если измерить парциальное давление кислорода и измерить количество насыщенного кислородом гемоглобина, по сравнению с ненасыщенным гемоглобином, это даст достаточно информации для построения кривой диссоциации кислорода. Эта кривая используется для обнаружения числа p50.

На сродство гемоглобина к кислороду могут повлиять (т.е. сместить кривую диссоциации кислорода) несколько факторов, таких как температура, pH и концентрация 2,3-дифосфоглицерата внутри эритроцитов. Хотя врачи могут измерить объем и массу отдельных эритроцитов, это исследования впервые изучило, как эти факторы влияют на сродство к кислороду в отдельных эритроцитах.

Метод доктора Ди Каприо и др. сочетает в себе биомиметическую технологию с микрожидкостной цитометрией. Биомиметика является развивающейся областью, которая соединяет биологию с техникой. Как следует из названия, ученые создали устройство, которое имитирует биологические процессы или среды. Это позволило провести исследования in vitro, которые имитируют условия in vivo. В этом исследовании, система доктора Ди Каприо и его коллег имитировала систему кровообращения. Их устройство имеет три слоя: один для потока эритроцитов, газопроницаемая мембрана, и еще один для потока кислорода. Важно отметить, что, поскольку доктор Ди Каприо и его коллеги стремились провести количественные измерения, они разработали систему таким образом, чтобы можно было контролировать парциальное давление кислорода. Это позволило ученым установить связь между насыщением кислородом эритроцитов и парциальным давлением кислорода. По мере движения эритроцитов через устройство, они уравновешивались с кислородом, достигая точки насыщения. Ученые затем могли определить объем клетки с помощью оптической визуализации насыщенных эритроцитов.

Масса гемоглобина может быть определена при помощи техники количественной абсорбционной цитометрии. Хоте предыдущие исследования измеряли общий гемоглобин при помощи изучения на одной длине волны (410 нм), настоящее исследование изучало на другой длине волны (430 нм) для того, чтобы отличить свободный гемоглобин от связанного с кислородом гемоглобина. При визуализации одной и той же клетки на обеих длинах волн, поглощение может быть связано с насыщением кислорода в одной клетке.

После тестирования и подтверждения своей системы, следующим шагом было изучение кинетики насыщения кислородом. Изменяя геометрию своего микрожидкостного анализатора, доктор Ди Каприо и его коллеги смогли изучить кинетику связывания кислорода в эритроцитах в жидкостных условиях. Ученые определили, где и когда в их анализаторе эритроциты достигли точки насыщения кислородом и подтвердили, что все эритроциты насыщены на момент визуализации. Это подтверждает, что любые изменения в сродстве к кислороду между отдельными клетками не являются следствием кинетических проблем, оставляя в качестве возможных факторов различий в сродстве к кислороду концентрацию гемоглобина и/или цитозольную среду клеток.

Авторы исследования смогли сообщить средние и стандартные отклонения измерений при определенной температуре и pH. Будущие исследования будут включать изменения температуры и pH, для изучения, как эти изменения изменяют поглощение кислорода отдельной клеткой. Ученые обнаружили, то стандартное отклонение было выше, когда кривая диссоциации была крутой, что также было при давлении, где насыщение кислородом наиболее колебалось между отдельными клетками.

Статистический анализ эритроцитов на этом уровне кислорода показал корреляцию между концентрацией гемоглобина и насыщением кислорода: чем выше концентрация гемоглобина – тем выше значение насыщения. Тем не менее, исследования тех же образцов с использованием изотонических и гипотонических буферов для создания осмотического градиента показали, что изменения концентрации гемоглобина не изменяет сродства к кислороду. Это значит, что различия в сродстве к кислороду между отдельными эритроцитами являются следствием чего-то внутри клеточной среды. Авторы полагают, что это является следствием различий в концентрации 2,3-дифосфоглицерата, ключевого регулятора сродства к кислороду, в цитозоле.

Когда прозвучал вопрос о последствиях этого исследования, соавтор доктор Этан Шонбрун отметил: «Мы считаем, что характеристика сродства к кислороду одной клетки может быть весьма ценной для гематологии, в диагностике анемии и для лучшего понимания физиологии здоровой гематологической системы».