Evolução da área de superfície e do módulo de cisalhamento da membrana de glóbulos vermelhos humanos maturados durante a fadiga mecânica

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8563 (2023) Citar este artigo

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As propriedades mecânicas dos glóbulos vermelhos (RBCs) mudam durante sua senescência, o que suporta numerosos processos fisiológicos ou patológicos nos sistemas circulatórios, fornecendo ambientes mecânicos celulares cruciais da hemodinâmica. No entanto, faltam estudos quantitativos sobre o envelhecimento e as variações das propriedades das hemácias. Aqui, investigamos mudanças morfológicas, amolecimento ou endurecimento de hemácias únicas durante o envelhecimento usando um modelo de fadiga mecânica in vitro. Usando um sistema microfluídico com microtubos, os eritrócitos são repetidamente submetidos a estiramento e relaxamento à medida que se espremem para dentro e para fora de uma região de contração repentina. Parâmetros geométricos e propriedades mecânicas de hemácias humanas saudáveis ​​são caracterizados sistematicamente a cada ciclo de carregamento mecânico. Nossos resultados experimentais identificam três transformações de forma típicas de hemácias durante a fadiga mecânica, que estão fortemente associadas à perda de área de superfície. Construímos modelos matemáticos para a evolução da área de superfície e do módulo de cisalhamento da membrana de hemácias únicas durante a fadiga mecânica e desenvolvemos quantitativamente um parâmetro de conjunto para avaliar o estado de envelhecimento das hemácias. Este estudo fornece não apenas um novo modelo de fadiga in vitro para investigar o comportamento mecânico das hemácias, mas também um índice intimamente relacionado à idade e às propriedades físicas inerentes para uma diferenciação quantitativa de hemácias individuais.

Nos mamíferos, os glóbulos vermelhos (hemácias) estão entre as células mais importantes para sustentar as condições de vida enquanto viajam continuamente por vários tamanhos de vasos circulatórios e lacunas estreitas. Durante o tempo de vida típico de 120 dias de uma hemácia humana, ela muda as propriedades geométricas e mecânicas com o envelhecimento celular1,2,3 e exibe fenótipos biofísicos para o diagnóstico de várias doenças4,5. Diferentemente da senescência das células nucleadas, as hemácias não possuem núcleo e, portanto, exibem uma regulação única para o envelhecimento celular. À medida que os eritrócitos se espremem repetidamente através da microvasculatura e das fendas interendoteliais esplênicas (IES) submicrônicas e atravessam a macrovasculatura, eles passam por ciclos mecânicos significativos por meio de grande alongamento elástico e relaxamento6. Entre uma das questões mais importantes para a biologia das hemácias, o efeito da fadiga mecânica na senescência das hemácias não foi abordado quantitativamente.

Durante o envelhecimento celular, as hemácias perdem parcialmente suas membranas, levando a uma mudança em sua morfologia de uma forma de xícara para uma forma estável de discoide bicôncavo7. As hemácias mantêm suas formas celulares ideais durante circulações de longo prazo, gerando microvesículas8,9 e regulando o volume celular10 para remover danos celulares, incluindo danos à membrana devido à fadiga mecânica e estresse oxidativo3. A análise das características físicas comparando hemácias jovens a envelhecidas1,2,11 emprega a marcação de isótopos, biotina ou hemoglobina glicada (HbA1c) como marcadores para idades celulares11,12 e sustenta que o volume e a área de superfície diminuem monotonicamente com o envelhecimento celular. Mas as observações sobre a mudança do módulo de cisalhamento da membrana durante o envelhecimento celular não são consistentes que Sutera et al.13 observaram um aumento significativo no módulo elástico da membrana das hemácias durante o envelhecimento celular in vivo, enquanto Li et al.14 afirmaram que os reticulócitos são mais rígidos do que os eritrócitos maduros.

Devido à falta de um núcleo e mRNA, as hemácias respondem principalmente ao seu microambiente mecânico de forma passiva, portanto, a sujeição das hemácias a estímulos mecânicos durante sua vida útil é indiscutivelmente importante. Observou-se que a carga mecânica no baço desempenha um papel crucial na biologia das hemácias. A estrutura IES específica do baço não só facilita a maturação através da remoção de organelas de reticulócitos15, mas também contribui para a alteração do módulo de cisalhamento da membrana, transição de forma5,7,15 e eliminação de hemácias envelhecidas ou doentes15,16,17. Aqui, os fluxos esplênicos com hemácias se espremendo através de um IES de tipicamente 0,65 μm de comprimento e 2–3 μm de altura são características cruciais de sua vesiculação, pois a densidade das conexões esqueleto-membrana é vulnerável à redução sob ciclagem mecânica com fendas extremamente estreitas18. Isso é apoiado pela descoberta de que mais perda de hemoglobina aparece em vesículas de vesículas de hemácias de indivíduos com distúrbios esplênicos em comparação com indivíduos saudáveis ​​in vivo19. Além disso, em distúrbios sanguíneos como a esferocitose hereditária, a taxa de perda de área de superfície nas hemácias aumenta sob carga cíclica esplênica devido ao enfraquecimento da coesão entre a bicamada lipídica e o citoesqueleto17. Portanto, a ciclagem mecânica através de vasos microcapilares e lúmens estreitos como uma rotina padrão de estimulação mecânica na vida útil das hemácias implica um princípio mecânico subjacente para sua maturação e envelhecimento. Portanto, mais investigações são necessárias para entender a evolução quantitativa da área de superfície e do módulo de cisalhamento da membrana de hemácias únicas com ciclagem mecânica, em relação ao processo de envelhecimento das hemácias.