Нанси Ф. Дзен

1 Катедра по химично инженерство, Калифорнийски университет, Дейвис, Дейвис, Калифорния, 95616, Съединени американски щати

Джордан Е. Манкузо

1 Катедра по химично инженерство, Калифорнийски университет, Дейвис, Дейвис, Калифорния, 95616, Съединени американски щати

Анжела М. Живкович

2 Катедра по хранене, Калифорнийски университет, Дейвис, Дейвис, Калифорния, 95616, Съединени американски щати

Дженифър Т. Смиловиц

3 Департамент по хранителни науки и технологии, Калифорнийски университет, Дейвис, Дейвис, Калифорния, 95616, Съединени американски щати

Уилям Д. Ристенпарт

1 Катедра по химично инженерство, Калифорнийски университет, Дейвис, Дейвис, Калифорния, 95616, Съединени американски щати

Замислил и проектирал експериментите: NFZ JTS WDR. Изпълнява експериментите: NFZ. Анализирани данни: NFZ JEM JTS WDR. Реактиви/материали/инструменти за анализ, допринесени: AMZ JTS. Написа хартията: NFZ JEM AMZ JTS WDR.

Свързани данни

Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.

Резюме

Коремното затлъстяване и метаболитният синдром (МС) са многофакторни състояния, свързани с повишен риск от сърдечно-съдови заболявания и захарен диабет тип II. Предишна работа демонстрира, че хемореологичният профил се променя при пациенти с абдоминално затлъстяване и МС, както се доказва например от увеличения вискозитет на цялата кръв. Към днешна дата обаче няма проучвания за изследване на деформируемостта на червените кръвни клетки (RBC) от лица със затлъстяване или метаболитни аномалии при типични условия на физиологичен поток. В това проучване ние изпомпвахме червените кръвни клетки чрез свиване в микрофлуидно устройство и използвахме високоскоростно видео, за да визуализираме и проследим механичното поведение на

8000 еритроцити, получени или от здрави индивиди (n = 5), или от затлъстели участници с метаболитни аномалии (OMA) (n = 4). Ние демонстрираме, че OMA + клетките се разтягат средно с около 25% по-малко от здравите контроли. Освен това изследвахме ефектите от поглъщането на високомаслено хранене върху механичната динамика на червените кръвни клетки и установихме, че следпрандиалният период има само слаб ефект върху динамиката на разтягане, проявена от OMA + клетките. Резултатите показват, че хроничното втвърдяване на червените кръвни клетки играе ключова роля за повишеното кръвно налягане и повишения вискозитет на цялата кръв, наблюдавано при индивиди с ОМА, и не е независимо от остър отговор, предизвикан от консумация на храна с високо съдържание на мазнини.

Пробна регистрация

Въведение

Един добре признат фактор за вискозитета на цялата кръв е деформируемостта на червените кръвни клетки. Способността на червените кръвни клетки да променят формата и да се деформират, особено в микроваскулатурата, е основен фактор, определящ адекватната тъканна перфузия [24]. Деформируемостта на червените кръвни клетки от пациенти с метаболитни аномалии обаче не е проучена директно; предишна работа [13,14,16,19] е разчитала на различни косвени техники. Brun et al. [14] и Aloulou et al. [16] индиректно изчислява твърдостта на червените кръвни клетки от измервания на MS + вискозитет на цялата кръв, докато Lo Presti et al. [13] извърши филтрация на MS + цяла кръв през поликарбонатни сита. Във всяка работа те заключават, че червените кръвни клетки са по-твърди, но признават, че резултатите може да са били повлияни от повишения плазмен вискозитет и остатъчните левкоцити и тромбоцити. По същия начин Vaya et al. [19] определи деформируемостта на еритроцитите, използвайки дифрактометър на напрежението на срязване, който отново изследва обемното поведение на много клетки. Въпреки че всички тези проучвания предполагат, че МС е свързана с повишена твърдост на червените кръвни клетки, измерванията са косвени. По-важното е, че нито една от техниките не е наложила хидродинамични сили, подобни на тези с опит in vivo, т.е.

Материали и методи

Предмети и дизайн на обучение

червените

(А) Схема на микрофлуидното устройство. Разредените еритроцити се изпомпват от област с ниско срязване (широк канал вляво) до област с високо срязване (свиване вдясно). Обърнете внимание, че началото е в центъра на входа на стеснението, както е показано на фигурата. (Б) Представителни насложени серии от изображения с интервал от време, извлечени от високоскоростно видео, всеки от които показва отделен RBC, който влиза в свиване и се разтяга в отговор на увеличената скорост. Оригиналното „сурово“ изображение на RBC е показано в сива скала с откритите граници на клетките, насложени в синьо. (° С) Изображения с променливо време с голямо увеличение на представител, разтягащ RBC при въвеждане на ограничение за Control (OMA-) и OMA +. Всяко изображение се изрязва и центрира върху RBC, за да се илюстрира поведението му. Размерът на кутията е 10,2 μm x 10,2 μm. Съответните графики вдясно показват дължината на главната ос, L, над началната дължина на главната ос, L0, като функция от позицията в канала.

Статистически анализ

Статистическият анализ беше извършен с помощта на Matlab. Статистическите разлики бяха изчислени с помощта на теста за сумата на ранга на Wilcoxon, който е подходящ за наблюдаваните тук негаус разпределения на максималното разтягане на клетките. Разлики с p Фиг. 1B и 1C. Еритроцитите ясно се разтягат в отговор на ускоряващия се поток, по начин, подобен на предишните наблюдения [25–30]. След достигане на максимална дължина, червените кръвни клетки също ясно започват да се отпускат, в съответствие с предишни наблюдения, използвайки подобни микрофлуидни геометрии и скорости на потока [25–27]. За разлика от това, в други работи се наблюдава плато с индекс на деформация, разтягане, макар и с различни геометрии и скорости на потока [28–30]. Ние подчертаваме, че по-голямата част от клетките, при тестваната скорост на потока от 5 μL/min, са показали механични движения, различни от разтягане; и четирите механични движения (разтягане, усукване, търкаляне и преобръщане) бяха изложени както от OMA-, така и от OMA + RBC. За всяко високоскоростно видео, приблизително 20-40% от здравите контролни еритроцити проявяват разтягане, докато за OMA + еритроцитите приблизително 20-40% от клетките проявяват разтягане при скорост на потока 5 μL/min. По същия начин не е имало статистически значима разлика в процента на клетките, проявяващи останалото поведение (преобръщане, търкаляне и усукване).

Въпреки че относителните фракции на клетките, проявяващи разтягане, бяха сравними за OMA- и OMA + RBC, ние наблюдавахме количествена разлика в динамиката на разтягане. Тук характеризираме динамиката на разтягане със съотношението на моментната дължина на потока (L) на RBC към началната дължина (L0) като функция от X позиция в канала. Например, OMA-клетката, показана на фиг. 1C, се простира до максимум L/L0 = 1,20, докато OMA + се простира само до L/L0 = 1,15.

Изследването на по-големи популации на червените кръвни клетки показва, че това несъответствие в величината на разтягане е статистически значимо (Фигура 2). Еритроцитите както от здрави, така и от участници с OMA се разтягат в заострената област на канала (отрицателни стойности на X) и достигат максималната си дължина близо до входа на свиване (X = 0). Интересното е, че след навлизане в свиването и разтягане до максималната дължина, червените кръвни клетки се отпускат, както е показано чрез постепенното намаляване на L/L0,. Ключовият момент на фигура 2А обаче е, че OMA + RBCs са склонни да се разтягат по-малко, както е показано от систематично по-ниските разпределения на L/L0 за всички позиции. Хистограмите с максимална разтегната дължина (Lmax), нормализирана от първоначалната дължина (L0), разкриват, че по-голямата част от OMA-клетките показват Lmax/L0 от приблизително 1,1, средната стойност за популацията (Фигура 2B). За OMA + RBC, формата на разпределение е различна и показва промяна към по-ниски стойности, със средна стойност за OMA + проби от приблизително 1.075 (фиг. 2C). Това намаляване на максималната дължина на разтягане съответства на приблизително 25% намаляване на степента на разтягане.

(А) Графики на моментното съотношение на разтягане като функция от X позиция в канала за вземане на кръв, взети след хранене при участници с ОМА. Горната и долната част на правоъгълниците представляват 25-ия и 75-ия квартил, дебелите черни ленти показват средната стойност, а тъмните квадратни маркери показват средната стойност. На втория ред са показани хистограми за Lmax/L0. Общият брой на наблюдаваните клетки: n0HR = 1955, n1HR = 1870, n3HR = 1450 и n6HR = 1393

Горната и долната част на леко засенчените правоъгълници показват съответно 25-ия и 75-ия квартил, дебелите черни ленти показват средната стойност, тъмните квадратни маркери показват средната стойност, а мустаците представляват максималните и минимални наблюдавани стойности. Всяка форма на маркер съответства на определен участник; повтарящите се маркери означават пробни реплики с кръв, взета от същия индивид. Общият брой на наблюдаваните клетки: n0HR = 1955, n1HR = 1870, n3HR = 1450 и n6HR = 1393. Звездичката (*) показва p 40 инча за мъжете и 35 инча за жените, плазмен триглицерид на гладно (TG) ≥ 150 mg/dL, плазмен холестерол с висока плътност на гладно (HDL-C) (13K, docx)

Таблица S2

S3 Таблица

Благодарности

Основната подкрепа за това изследване беше предоставена от грант номер 1201245 на NSF (Биомеханика и механобиология, CMMI). Частична подкрепа за това изследване беше предоставена от грант номер T32-GM008799 от NIGMS-NIH. Авторите биха искали да благодарят на Foods for Health Institute към UC Davis, USDA, Службата за селскостопански изследвания, Western Human Nutrition Research Center и Националния съвет по млечните продукти (Rosemont, IL) за предоставяне на кръвни проби за нашите експерименти.

Отчет за финансиране

Финансиране, предоставено от Националната научна фондация Биомеханика и механобиология безвъзмездна помощ # 1201245; Безвъзмездна помощ от Националния институт по здравеопазване # T32-GM008799. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Наличност на данни

Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.