I globuli rossi sono il tipo di cellula più abbondante nel sangue, trasportando ossigeno in tutto il corpo umano. Nella circolazione sanguigna, incontrano ripetutamente vari livelli di tensione di ossigeno. ipossia, una condizione di bassa tensione di ossigeno, è un fattore microambientale molto comune nei processi fisiologici della circolazione sanguigna e in vari processi patologici come il cancro, infiammazione cronica, infarti e ictus. Inoltre, un'interazione tra scarsa deformabilità cellulare e ridotta erogazione di ossigeno si trova in vari processi patologici come l'anemia falciforme. I globuli rossi falciformi subiscono simultaneamente una drastica deformazione meccanica durante il processo di falciatura e non falciatura.

Le interazioni tra ipossia e biomeccanica cellulare e i meccanismi biochimici sottostanti del danno accelerato nei globuli rossi malati sono ben comprese, però, le esatte conseguenze biomeccaniche dell'ipossia che contribuiscono alla degradazione dei globuli rossi (invecchiamento) rimangono sfuggenti.

Ricercatori del College of Engineering and Computer Science della Florida Atlantic University, in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha cercato di identificare il ruolo dell'ipossia sull'invecchiamento dei globuli rossi attraverso le vie biomeccaniche. In particolare, hanno esaminato la compromissione indotta dall'ipossia della deformabilità dei globuli rossi a livello di singola cellula, confrontato le differenze tra ipossia non ciclica e ipossia ciclica, e documentato qualsiasi effetto cumulativo rispetto ai cicli di ipossia, come aspetti che non sono stati studiati quantitativamente. La deformabilità dei globuli rossi è un importante biomarcatore della sua funzionalità.

Per lo studio, pubblicato sulla rivista Laboratorio su un chip , i ricercatori hanno sviluppato un microfluidico poliedrico in vitro test per controllare con precisione l'ambiente gassoso mentre si sondano le prestazioni meccaniche dei globuli rossi, che può essere utilizzato come strumento di caratterizzazione per altri tipi cellulari coinvolti in processi biologici dipendenti dall'ossigeno. Il test è promettente per studiare gli effetti ipossici sul potenziale metastatico e la relativa resistenza ai farmaci delle cellule tumorali. Le cellule tumorali sono più metastatiche in un microambiente tumorale ipossico e la rigidità delle cellule tumorali ha dimostrato di essere un biomarcatore efficace del loro potenziale metastatico.

I risultati dello studio indicano un importante meccanismo biofisico alla base dell'invecchiamento dei globuli rossi in cui la sola sfida dell'ipossia ciclica può portare alla degradazione meccanica della membrana dei globuli rossi. Questo processo in combinazione con la fatica meccanica indotta dalla deformazione rappresenta due principali condizioni di carico di fatica che i globuli rossi circolanti sperimentano.

"Una caratteristica unica del nostro sistema risiede nel fatto che la misurazione della deformabilità cellulare può essere effettuata su più, globuli rossi monitorati individualmente in un ambiente di tensione di ossigeno ben controllata, " ha detto Sarah Du, dottorato di ricerca, autore anziano, un professore associato nel Dipartimento di ingegneria oceanica e meccanica della FAU, e membro dell'Istituto FAU per la salute umana e l'intervento sulle malattie (I-HEALTH). "I nostri risultati hanno mostrato che la deformabilità dei globuli rossi diminuisce in condizioni di deossigenazione mediante la caratterizzazione meccanica prima e dopo delle singole cellule in risposta alla commutazione dei livelli di ossigeno all'interno di un dispositivo microfluidico".

La microfluidica funge da piattaforma miniaturizzata ed efficiente per la diffusione del gas interfacciando il gas e la soluzione acquosa attraverso il flusso o una membrana permeabile al gas, che è anche suscettibile al controllo del microambiente gassoso cellulare.

Per lo studio, i ricercatori hanno sottoposto i globuli rossi a un microambiente di ipossia ripetuta ben controllata, consentendo nel contempo la caratterizzazione simultanea delle proprietà meccaniche delle cellule. Hanno integrato una tecnica di elettrodeformazione in una camera di microdiffusione, che era facile da implementare e flessibile nelle applicazioni simultanee di sfida dell'ipossia ciclica e sollecitazioni di taglio su singole cellule in sospensione e in condizioni quasi stazionarie.

Misurazioni di biomarcatori, come il danno ossidativo, può fornire informazioni aggiuntive per stabilire relazioni quantitative tra il carico di fatica e i processi biologici, consentendo una migliore comprensione dell'insufficienza e dell'invecchiamento dei globuli rossi. Il saggio microfluidico può anche essere esteso allo studio di altri tipi di cellule biologiche per le loro prestazioni meccaniche e la risposta agli ambienti gassosi.

"Il metodo unico sviluppato dal laboratorio del professor Du può anche essere uno strumento utile per prevedere le prestazioni meccaniche dei globuli rossi naturali e artificiali a fini trasfusionali, nonché per valutare l'efficacia dei reagenti rilevanti nell'allungare la durata della vita cellulare in circolazione, " ha detto Stella Batalama, dottorato di ricerca, decano, Facoltà di Ingegneria e Informatica. "Questo test promettente e all'avanguardia ha il potenziale per estendersi ulteriormente ai globuli rossi in altre malattie del sangue e altri tipi di cellule".