A hasi elhízással vagy anyagcserezavarokkal küzdő egyének vörösvérsejtjei kisebb deformálódást mutatnak a szűkület bejutásakor.

Nancy F. Zeng

1 Vegyészmérnöki Tanszék, Kaliforniai Egyetem Davis, Davis, Kalifornia, 95616, Amerikai Egyesült Államok

Jordan E. Mancuso

1 Vegyészmérnöki Tanszék, Kaliforniai Egyetem Davis, Davis, Kalifornia, 95616, Amerikai Egyesült Államok

Angela M. Zivkovic

2 Táplálkozási Tanszék, Kaliforniai Egyetem Davis, Davis, Kalifornia, 95616, Amerikai Egyesült Államok

Jennifer T. Smilowitz

3 Élelmiszertudományi és Technológiai Tanszék, Kaliforniai Egyetem Davis, Davis, Kalifornia, 95616, Amerikai Egyesült Államok

William D. Ristenpart

1 Vegyészmérnöki Tanszék, Kaliforniai Egyetem Davis, Davis, Kalifornia, 95616, Amerikai Egyesült Államok

A kísérletek kidolgozása és megtervezése: NFZ JTS WDR. Végezte el a kísérleteket: NFZ. Elemezte az adatokat: NFZ JEM JTS WDR. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: AMZ JTS. Írtam a cikket: NFZ JEM AMZ JTS WDR.

Társított adatok

Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.

Absztrakt

A hasi elhízás és a metabolikus szindróma (SM) multifaktoriális állapotok, amelyek a kardiovaszkuláris betegségek és a II. Típusú diabetes mellitus fokozott kockázatával járnak. Korábbi munka kimutatta, hogy a hemorheológiai profil megváltozik a hasi elhízásban és SM-ben szenvedő betegeknél, amit például a teljes vér viszkozitásának növekedése is bizonyít. A mai napig azonban egyetlen tanulmány sem vizsgálta az elhízással vagy anyagcserezavarokkal küzdő egyének vörösvértestek deformálhatóságát tipikus fiziológiai áramlási körülmények között. Ebben a tanulmányban a vörösvértesteket egy szűkületen keresztül szivattyúztuk át egy mikrofluidikus eszközben, és nagysebességű videót használtunk a

8000 vörösvérsejt egészséges állatoktól (n = 5) vagy elhízott, metabolikus rendellenességekkel (OMA) rendelkező résztvevőktől származik (n = 4). Kimutattuk, hogy az OMA + sejtek átlagosan körülbelül 25% -kal kisebb mértékben nyújtódtak, mint az egészséges kontrollok. Továbbá megvizsgáltuk a magas zsírtartalmú étkezés elfogyasztásának az RBC mechanikai dinamikájára gyakorolt hatását, és megállapítottuk, hogy az étkezés utáni periódusnak csak gyenge hatása van az OMA + sejtek által mutatott nyújtási dinamikára. Az eredmények arra utalnak, hogy a vörösvértestek krónikus merevítése kulcsfontosságú szerepet játszik az OMA egyéneknél megfigyelt megnövekedett vérnyomásban és megnövekedett teljes vér viszkozitásban, és független volt a magas zsírtartalmú étkezés fogyasztása által kiváltott akut reakciótól.

Próba regisztráció

Bevezetés

A teljes vér viszkozitásának egyik jól elismert tényezője a vörösvértestek deformálhatósága. A vörösvértestek képessége az alak és a deformáció megváltoztatására, különösen a mikrovaszkulatúrában, a megfelelő meghatározó tényező a megfelelő szöveti perfúzióban [24]. Metabolikus rendellenességekkel küzdő betegek vörösvérsejtjeinek deformabilitását azonban közvetlenül nem vizsgálták; korábbi munka [13,14,16,19] különféle közvetett technikákra támaszkodott. Brun és mtsai. [14] és Aloulou és mtsai. [16] közvetett módon kiszámította a vörösvérsejt-merevséget az MS + teljes vér viszkozitásának mérése alapján, míg Lo Presti és mtsai. [13] az MS + teljes vér szűrését végezte polikarbonát szitákon. Minden munkában arra a következtetésre jutottak, hogy a vörösvértestek merevebbek voltak, de tudomásul vették, hogy az eredményeket befolyásolhatja a megnövekedett plazma viszkozitás, valamint a maradék leukociták és vérlemezkék. Hasonlóképpen Vaya és mtsai. [19] az eritrocita deformálhatóságát nyírófeszültség-diffraktométerrel határozta meg, amely ismét sok sejt tömeges viselkedését vizsgálja. Míg ezek a tanulmányok mind arra utalnak, hogy az SM az RBC-k fokozott merevségével jár, a mérések indirektek voltak. Ennél is fontosabb, hogy egyik technika sem vetett ki hasonló hidrodinamikai erőket, mint az in vivo tapasztaltak, azaz a nyomás által vezérelt áramlás egy kapillárison keresztül.

Anyagok és metódusok

Tantárgyak és tanulmánytervezés

(A) A mikrofluidikus készülék vázlata. A hígított vörösvértesteket az alacsony nyírási tartományból (széles csatorna, bal oldalon) a nagy nyírási tartományba (a szűkületet, jobbra) pumpálják. Vegye figyelembe, hogy az origó a szűkület bejáratának középpontjában van, az ábrán látható módon. (B) A nagysebességű videókból kivont időzített képek reprezentatív egymásra helyezett sorozata, amelyek mindegyike azt mutatja, hogy egy egyedi RBC szűkületbe lép és nyújtózkodik a megnövekedett sebességre reagálva. Az RBC eredeti „nyers” képe szürkeárnyalatos módon jelenik meg, az észlelt cellahatárok kék színnel vannak feltüntetve. (C) Nagy reprezentációs időintervallumú képek a reprezentatív RBC-ről, amikor a Control (OMA-) és OMA + szűkületbe lép. Mindegyik kép levágásra kerül, és az RBC közepére áll, hogy szemléltesse a viselkedését. A doboz mérete 10,2 μm x 10,2 μm. A jobb oldali megfelelő ábrák az L főtengely hosszát mutatják, a kezdeti főtengely hossza felett, L0 a csatorna helyzetének függvényében.

Statisztikai analízis

A statisztikai elemzést Matlab alkalmazásával végeztük. A statisztikai különbségeket a Wilcoxon rangösszeg-teszt alkalmazásával számítottuk ki, amely megfelel az itt megfigyelt maximális sejt-nyújtás nem-Gauss-eloszlásának. Különbségek p p 1B és 1C ábrákkal. Az RBC-k a korábbi megfigyelésekhez hasonló módon egyértelműen kinyújtódnak a gyorsuló áramlásra reagálva [25–30]. A maximális hosszúság elérése után a vörösvértestek is egyértelműen elkezdenek lazulni, összhangban a korábbi mikrofluidikus geometriákat és áramlási sebességeket alkalmazó korábbi megfigyelésekkel [25–27]. Ezzel ellentétben más munkáknál egy plató deformációs indexet mutat, amely húzódik, bár eltérő geometriájú és áramlási sebességgel [28–30]. Hangsúlyozzuk, hogy a sejtek többsége a tesztelt 5 μL/perc áramlási sebesség mellett a nyújtáson kívül más mechanikai mozgást mutatott; mind a négy mechanikus mozgást (nyújtás, csavarás, gördülés és bukdácsolás) OMA- és OMA + RBC-k egyaránt bemutatták. Minden nagysebességű videó esetében az egészséges kontroll vörösvértestek körülbelül 20–40% -a mutatott nyújtást, míg az OMA + vörösvértestek esetében a sejtek körülbelül 20–40% -a 5 μL/perc átfolyási sebességgel nyújtózkodott. Hasonlóképpen, nem volt statisztikailag szignifikáns különbség az egyéb viselkedést (bukdácsolást, gördülést és csavarodást) mutató sejtek százalékos arányában.

Bár a nyújtást mutató sejtek relatív frakciói összehasonlíthatók voltak az OMA- és az OMA + RBC-k esetében, a nyújtás dinamikájában kvantitatív különbséget figyeltünk meg. Itt jellemezzük a nyújtási dinamikát az RBC pillanatnyi áramlási hosszának (L) és a kezdeti hossznak (L0) arányával a csatorna X helyzetének függvényében. Például az 1C. Ábrán látható OMA-sejt maximum L/L0 = 1,20, míg az OMA + csak L/L0 = 1,15-ig nyúlt ki.

A vörösvértestek nagyobb populációinak vizsgálata azt mutatja, hogy ez az eltérés a nyújtási nagyságban statisztikailag szignifikáns (2. ábra). Az egészséges és OMA-résztvevők vörösvértestjei a csatorna kúpos régiójában feszültek (negatív X értékek), és maximális hosszukat elérték a szűkület bejárata közelében (X = 0). Érdekes, hogy a szűkület megadása és a maximális hosszúságig való nyújtás után az RBC-k ellazulnak, ahogy azt az L/L0 fokozatos csökkenése mutatja. A 2A. Ábra legfontosabb pontja azonban az, hogy az OMA + RBC-k általában kevésbé nyúlnak, amint azt az L/L0 szisztematikusan alacsonyabb eloszlása jelzi az összes pozíció esetében. A kezdeti hosszúsággal (L0) normalizált maximális hosszúságú (Lmax) hisztogramok azt mutatják, hogy az OMA-sejtek többségének Lmax/L0 értéke körülbelül 1.1, a populáció átlagértéke (2B. Ábra). Az OMA + RBC-k esetében az eloszlás alakja eltér, és elmozdulást mutat az alacsonyabb értékek felé, az OMA + minták átlaga körülbelül 1,075 (2C. Ábra). Ez a maximális nyújtási hossz csökkenése nagyjából 25% -os csökkenésnek felel meg a nyújtás mértékében.

(A) Az OMA-ban résztvevőknél az étkezés után vett vérvétel azonnali nyújtási arányú diagramok a csatorna X-helyzetének függvényében. A téglalapok felső és alsó része a 25. és a 75. negyedet jelöli, a vastag fekete sávok a mediánt, a sötét négyzet jelölők az átlagot jelzik. A második sorban láthatók az Lmax/L0 hisztogramjai. A megfigyelt sejtek teljes száma: n0HR = 1955, n1HR = 1870, n3HR = 1450 és n6HR = 1393

Az enyhén árnyékolt téglalapok teteje és alja a 25., illetve a 75. kvartiliseket jelöli, a vastag fekete sávok a mediánt, a sötét négyzet markerek az átlagot, a bajuszok pedig a megfigyelt maximális és minimális értékeket. Minden jelölő alakja egy adott résztvevőnek felel meg; az ismételt markerek ugyanazon egyedtől vett vért jelentik. A megfigyelt sejtek teljes száma: n0HR = 1955, n1HR = 1870, n3HR = 1450 és n6HR = 1393. A csillag (*) a férfiaknál p 40 hüvelyk, a nők esetében 35 hüvelyk, az éhomi plazma triglicerid (TG) értéke ≥ 150 mg/dL, éhomi plazma nagy sűrűségű lipoprotein koleszterin (HDL-C) (13K, docx)

S2 táblázat

S3 táblázat

Köszönetnyilvánítás

Ennek a kutatásnak az elsődleges támogatását az NSF 1201245 számú (Biomechanics and Mechanobiology, CMMI) támogatásával nyújtották. A kutatás részleges támogatását a NIGMS-NIH T32-GM008799 számú támogatása biztosította. A szerzők köszönetet mondanak az UC Davis Foods for Health Intézetének, az USDA-nak, az Agrárkutatási Szolgálatnak, a Western Human Nutrition Research Center-nek és a National Dairy Council-nak (Rosemont, IL), hogy vérmintákat szállítottak kísérleteinkhez.

Finanszírozási nyilatkozat

A National Science Foundation biomechanikai és mechanobiológiai támogatásának támogatása # 1201245; Országos Egészségügyi Intézet támogatása: T32-GM008799. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Adatok elérhetősége

Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.