Los glóbulos rojos son el tipo de células más abundante en la sangre, llevar oxígeno por todo el cuerpo humano. En la circulación sanguínea, encuentran repetidamente varios niveles de tensión de oxígeno. Hipoxia una condición de baja tensión de oxígeno, es un factor microambiental muy común en los procesos fisiológicos de la circulación sanguínea y diversos procesos patológicos como el cáncer, inflamación crónica, ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares. Además, una interacción entre una deformabilidad celular deficiente y un suministro de oxígeno deficiente se encuentra en varios procesos patológicos, como la anemia de células falciformes. Los glóbulos rojos falciformes se someten simultáneamente a una deformación mecánica drástica durante el proceso de formación de la hoz y el desvanecimiento.

Se conocen bien las interacciones entre la hipoxia y la biomecánica celular y los mecanismos bioquímicos subyacentes del daño acelerado en los glóbulos rojos enfermos. sin embargo, las consecuencias biomecánicas exactas de la hipoxia que contribuyen a la degradación (envejecimiento) de los glóbulos rojos siguen siendo esquivas.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la Florida Atlantic University, en colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), trató de identificar el papel de la hipoxia en el envejecimiento de los glóbulos rojos a través de las vías biomecánicas. En particular, examinaron el deterioro inducido por la hipoxia de la deformabilidad de los glóbulos rojos a nivel de células individuales, compararon las diferencias entre la hipoxia no cíclica y la hipoxia cíclica, y documentado cualquier efecto acumulativo frente a ciclos de hipoxia, como aspectos que no se han estudiado cuantitativamente. La deformabilidad de los glóbulos rojos es un biomarcador importante de su funcionalidad.

Para el estudio, publicado en la revista Laboratorio en un chip , Los investigadores desarrollaron un microfluídico multifacético in vitro Ensayo para controlar con precisión el entorno gaseoso mientras se prueba el rendimiento mecánico de los glóbulos rojos, que se puede utilizar como herramienta de caracterización para otros tipos de células involucradas en procesos biológicos dependientes del oxígeno. El ensayo es prometedor para investigar los efectos hipóxicos sobre el potencial metastásico y la resistencia a fármacos relevante de las células cancerosas. Las células cancerosas son más metastásicas en un microambiente tumoral hipóxico y se ha demostrado que la rigidez de las células cancerosas es un biomarcador eficaz de su potencial metastásico.

Los hallazgos del estudio indican un importante mecanismo biofísico subyacente al envejecimiento de los glóbulos rojos en el que el desafío de la hipoxia cíclica por sí solo puede conducir a la degradación mecánica de la membrana de los glóbulos rojos. Este proceso, en combinación con la fatiga mecánica inducida por la deformación, representa dos condiciones de carga de fatiga principales que experimentan los glóbulos rojos circulantes.

"Una característica única de nuestro sistema radica en que la medición de la deformabilidad de la celda se puede realizar en múltiples glóbulos rojos seguidos individualmente en un entorno de tensión de oxígeno bien controlado, "dijo Sarah Du, Doctor., autor principal, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Oceánica de la FAU, y miembro del Instituto de Salud Humana e Intervención de Enfermedades de la FAU (I-HEALTH). "Nuestros resultados mostraron que la deformabilidad de los glóbulos rojos disminuye en condiciones de desoxigenación mediante la caracterización mecánica antes y después de las células individuales en respuesta al cambio de niveles de oxígeno dentro de un dispositivo de microfluidos".

La microfluídica sirve como una plataforma miniaturizada y eficiente para la difusión de gas al interconectar el gas y la solución acuosa a través del flujo o una membrana permeable al gas. que también es susceptible de controlar el microambiente gaseoso celular.

Para el estudio, Los investigadores sometieron a los glóbulos rojos a un microambiente de hipoxia repetida y bien controlado al tiempo que permitían la caracterización simultánea de las propiedades mecánicas de la célula. Integraron una técnica de electrodeformación en una cámara de microdifusión, que fue fácil de implementar y flexible en aplicaciones simultáneas de provocación por hipoxia cíclica y tensiones de cizallamiento en células individuales en suspensión y en condiciones casi estacionarias.

Mediciones de biomarcadores, como el daño oxidativo, puede proporcionar información adicional para establecer relaciones cuantitativas entre la carga de fatiga y los procesos biológicos, permitiendo una mejor comprensión de la insuficiencia y el envejecimiento de los glóbulos rojos. El ensayo de microfluidos también se puede ampliar para estudiar otros tipos de células biológicas por su comportamiento mecánico y su respuesta a entornos gaseosos.

"El método único desarrollado por el laboratorio del profesor Du también puede ser una herramienta útil para predecir el desempeño mecánico de los glóbulos rojos naturales y artificiales con fines de transfusión, así como para evaluar la eficacia de los reactivos relevantes para extender la vida útil celular en la circulación". "dijo Stella Batalama, Doctor., decano, Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación. "Este ensayo prometedor y de vanguardia tiene el potencial de extenderse aún más a los glóbulos rojos en otras enfermedades de la sangre y otros tipos de células".