Almanac of Clinical MedicineAlmanac of Clinical MedicineАльманах клинической медицины2072-05052587-9294Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)160910.18786/2072-0505-2021-49-059ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИAtomic force microscopy in the assessment of erythrocyte membrane mechanical properties with exposure to various physicochemical agentsАтомно-силовая микроскопия в оценке механических свойств мембран эритроцитов при воздействии различных физико-химических агентовhttps://orcid.org/0000-0002-9962-6315SherstyukovaE. A.ШерстюковаЕ. А.
Russian Federation

Ekaterina A. Sherstyukova – PhD (in Biol.), Senior Research Fellow, Laboratory of Biophysics of Cell Membranes in Critical States, V.A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology; Assistant Professor, Chair of Medical and Biological Physics, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University

25/2 Petrovka ul., Moscow, 107031

8/2 Trubetskaya ul., Moscow, 119991

Шерстюкова Екатерина Александровна – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории биофизики мембран клеток при критических состояниях, Научно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР; старший преподаватель кафедры медицинской и биологической физики, ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2,

119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2

kmanchenko@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4693-5624InozemtsevV. A.ИноземцевВ. А.
Russian Federation

Vladimir A. Inozemtsev – Research Fellow, Laboratory of Biophysics of Cell Membranes in Critical States

25/2 Petrovka ul., Moscow, 107031

Иноземцев Владимир Александрович – научный сотрудник лаборатории биофизики мембран клеток при критических состояниях

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

va.inozemcev@physics.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3907-080XKozlovA. P.КозловА. П.
Russian Federation

Aleksandr P. Kozlov – PhD (in Phys. and Math.), Associate Professor, Chair of Medical and Biological Physics

8/2 Trubetskaya ul., Moscow, 119991

Козлов Александр Павлович – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры медицинской и биологической физики

119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2

fillnoise@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9220-0138GudkovaO. E.ГудковаО. Е.
Russian Federation

Olga E. Gudkova – Senior Research Fellow, Laboratory of Biophysics of Cell Membranes in Critical States

25/2 Petrovka ul., Moscow, 107031

Гудкова Ольга Евгеньевна – старший научный сотрудник лаборатории биофизики мембран клеток при критических состояниях

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

olkagood@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8425-0845SergunovaV. A.СергуноваВ. А.
Russian Federation

Viktoria A. Sergunova – PhD (in Biol.), Leading Research Fellow, Head of Laboratory of Biophysics of Cell Membranes in Critical States

25/2 Petrovka ul., Moscow, 107031

Сергунова Виктория Александровна – кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией биофизики мембран клеток при критических состояниях

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

vika_23s82@mail.ruV.A. Negovsky Research Institute of General ReanimatologyНаучно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РРI.M. Sechenov First Moscow State Medical UniversityФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)081220214964274340812202108122021Copyright ©; 2021, Sherstyukova E.A., Inozemtsev V.A., Kozlov A.P., Gudkova O.E., Sergunova V.A.Copyright ©; 2021, Шерстюкова Е.А., Иноземцев В.А., Козлов А.П., Гудкова О.Е., Сергунова В.А.2021Sherstyukova E.A., Inozemtsev V.A., Kozlov A.P., Gudkova O.E., Sergunova V.A.Шерстюкова Е.А., Иноземцев В.А., Козлов А.П., Гудкова О.Е., Сергунова В.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://almclinmed.ru/jour/article/view/1609

Background: Mechanical properties of cell membranes and their structural organization are considered among the most important biological parameters affecting the functional state of the cell. Under the influence of various pathogenic factors, erythrocyte membranes lose their elasticity. The resulting changes in their biomechanical characteristics is an important, but poorly studied topic. It is of interest to study the deformation of native erythrocytes to a depth compatible with their deformation in the bloodstream.

Aim: To investigate the patterns of deep deformation and the particulars of structural organization of native erythrocyte membranes before and after their exposure to physicochemical agents in vitro.

Materials and methods: Cell morphology, nanostructure characteristics, and membrane deformation of native erythrocytes in a  solution of hemoconservative CPD/SAGM were studied with atomic force microscope NTEGRA Prima. Hemin, zinc ions (Zn2+), and ultraviolet (UV) radiation were used as modifiers. To characterize the membrane stiffness, we measured the force curves F(h), hHz (the depth to which the probe immersion is described by interaction with a homogeneous medium), and the Young's modulus values of the erythrocyte membrane.

Results: Exposure to hemin, Zn2+ and UV radiation led to transformation of the cell shape, appearance of topological defects and changes in mechanical characteristics of erythrocyte membranes. Under exposure to hemin, Young's modulus increased from 10±4  kPa to 27.2±8.6  kPa (p<0.001), exposure to Zn2+, to 21.4±8.7  kPa (p=0.002), and UV, to 18.8±5.6  kPa (p=0.001). The hHz value was 815±210  nm for the control image and decreased under exposure to hemin to 420±80 nm (p<0.001), Zn2+, to 370±90 nm (p<0.001), and UV, to 614±120 nm (p=0.001).

Conclusion: The results obtained contribute to a  deeper understanding of interaction between membrane surfaces of native erythrocytes and small vessel walls. They can be useful in clinical medicine as additional characteristics for assessment of the quality of packed red blood cells, as well as serve as a basis for biophysical studies into the mechanisms of action of oxidative processes of various origins.

Обоснование. Механические свойства мембран клеток и  их структурная организация считаются одними из наиболее важных биологических параметров, влияющих на функциональное состояние клетки. При воздействии патогенных факторов различной природы мембраны эритроцитов теряют эластичность. Как при этом изменяются их биомеханические характеристики – вопрос важный, но малоизученный. Представляется интересным изучить деформацию нативных эритроцитов на глубину, соизмеримую с их деформацией в кровотоке.

Цель  – исследовать закономерности глубокой деформации и  особенности структурной организации мембран нативных эритроцитов до и  после воздействия физико-химических агентов in vitro.

Материал и  методы. Морфологию клеток, особенности наноструктуры и  деформации мембран нативных эритроцитов в  растворе гемоконсерванта CPD/SAGM исследовали с  использованием атомно-силового микроскопа NTEGRA Prima. В качестве модификаторов применяли гемин, ионы цинка (Zn2+) и  ультрафиолетовое излучение (УФ). Для характеристики жесткости мембраны измеряли силовые кривые F(h), hHz – глубину, до которой процесс погружения зонда описывается взаимодействием с однородной средой, а также оценивали величину модуля Юнга мембраны эритроцитов.

Результаты. Установлено, что воздействие гемина, Zn2+ и УФ приводило к трансформации формы клеток, возникновению топологических дефектов и  изменению механических характеристик мембран эритроцитов. При воздействии гемина модуль Юнга увеличился с  10±4 до 27,2±8,6 кПа (p<0,001), под влиянием Zn2+ – до 21,4±8,7  кПа (p=0,002), УФ  – до 18,8±5,6  кПа (p=0,001). Величина hHz составила 815±210  нм для контрольного образца и  уменьшалась после действия гемина до 420±80  нм (p<0,001), Zn2+ – до 370±90 нм (p<0,001), УФ – 614±120 нм (p=0,001).

Заключение. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процессов взаимодействия поверхностей мембран нативных эритроцитов со стенками мелких сосудов и могут быть полезны в клинической медицине как дополнительные характеристики при оценке качества эритроцитов, а  также послужить основой для биофизических исследований механизма действия окислительных процессов различного происхождения.

 

atomic force microscopymembrane deformabilityerythrocytesheminzinc ionsultraviolet radiationmembrane defectsатомно-силовая микроскопиядеформируемость мембраныэритроцитыгеминионы цинкаультрафиолетовое излучениедефекты мембран1. Tomaiuolo G. Biomechanical properties of red blood cells in health and disease towards microfluidics. Biomicrofluidics. 2014;8(5):051501. doi: 10.1063/1.4895755.2.Александрова  НП, Карандашов  ВИ, Кудлай ДА. Особенности механизма нарушения деформируемости эритроцитов при различных заболеваниях. Тромбоз, гемостаз и  реология. 2021;(1):74–80. doi: 10.25555/THR.2021.1.0965.3.Gutierrez  M, Shamoun  M, Seu  KG, Tanski  T, Kalfa TA, Eniola-Adefeso O. Characterizing bulk rigidity of rigid red blood cell populations in sickle-cell disease patients. Sci Rep. 2021;11(1): 7909. doi: 10.1038/s41598-021-86582-8.4. Shin S, Ku Y. Hemorheology and clinical application: Association of impairment of red blood cell deformability with diabetic nephropathy. Korea Aust Rheol J. 2005;17(3):117–123.5. Buys  AV, Van Rooy  MJ, Soma  P,  Van Papendorp  D, Lipinski  B, Pretorius  E. Changes in red blood cell membrane structure in type 2  diabetes: a  scanning electron and atomic force microscopy study. Cardiovasc Diabetol. 2013;12:25. doi: 10.1186/1475-2840-12-25.6. Xu  Z, Zheng  Y, Wang  X, Shehata  N, Wang  C, Sun  Y. Stiffness increase of red blood cells during storage. Microsystems Nanoeng. 2018;4:17103. doi: 10.1038/micronano.2017.103.7. Манченко ЕА, Козлова ЕК, Сергунова ВА, Черныш АМ. Однородная деформация нативных эритроцитов при их длительном хранении. Общая реаниматология. 2019;15(5):4–10. doi: 10.15360/1813-9779-2019-5-4-10.8. Li  M, Liu  L, Xi  N, Wang  Y, Dong  Z, Xiao  X, Zhang  W. Atomic force microscopy imaging and mechanical properties measurement of red blood cells and aggressive cancer cells. Sci China Life Sci. 2012;55(11):968–973. doi: 10.1007/s11427-012-4399-3.9.Dulińska I, Targosz M, Strojny W, Lekka M, Czuba P, Balwierz W, Szymoński M. Stiffness of normal and pathological erythrocytes studied by means of atomic force microscopy. J Biochem Biophys Methods. 2006;66(1–3):1–11. doi: 10.1016/j.jbbm.2005.11.003.10. Sisquella  X, Nebl  T, Thompson  JK, Whitehead  L, Malpede  BM, Salinas  ND, Rogers  K, Tolia NH, Fleig A, O’Neill J, Tham WH, Horgen FD, Cowman  AF. Plasmodium falciparum ligand binding to erythrocytes induce alterations in deformability essential for invasion. Elife. 2017;6:e21083. doi: 10.7554/eLife.21083.11. Vayá  A, Rivera  L, de la Espriella  R, Sanchez  F, Suescun  M, Hernandez  JL, Fácila  L. Red blood cell distribution width and erythrocyte deformability in patients with acute myocardial infarction. Clin Hemorheol Microcirc. 2015;59(2):107–114. doi: 10.3233/CH-131751.12. Barabino  GA, Platt  MO, Kaul  DK. Sickle cell biomechanics. Annu Rev Biomed Eng. 2010;12:345–367. doi: 10.1146/annurev-bioeng-070909-105339.13. Fornal  M, Lekka  M, Pyka-Fościak  G, Lebed  K, Grodzicki  T, Wizner  B, Styczeń  J. Erythrocyte stiffness in diabetes mellitus studied with atomic force microscope. Clin Hemorheol Microcirc. 2006;35(1–2):273–276.14. Papi M, Ciasca G, Palmieri V, Maulucci G, Rossi C, Minelli E, De Spirito M. Nano-Mechanical Response of Red Blood Cells. Chapter 2. In: Korach CS, Tekalur SA, Zavattieri P, editors. Mechanics of Biological Systems and Materials. Vol. 6. Springer International Publishing; 2017. p. 11–16.15. Zhang B, Liu B, Zhang H, Wang J. Erythrocyte stiffness during morphological remodeling induced by carbon ion radiation. PLoS One. 2014;9(11):e112624. doi: 10.1371/journal.pone.0112624.16.Челнокова  ИА, Шклярова  АН, Цуканова  ЕВ, Никитина  ИА, Стародубцева  МН. Влияние рентгеновского излучения на наномеханические свойства поверхности эритроцитов крыс при гиперхолестериновой диете. Проблемы здоровья и  экологии. 2021;(3): 105–115. doi: 10.51523/2708-6011.2021-18-3-13.17. Mohandas N, Chasis JA. Red blood cell deformability, membrane material properties and shape: regulation by transmembrane, skeletal and cytosolic proteins and lipids. Semin Hematol. 1993;30(3):171–192.18. Lekka  M, Fornal  M, Pyka-Fościak  G, Lebed  K, Wizner  B, Grodzicki  T, Styczeń  J. Erythrocyte stiffness probed using atomic force microscope. Biorheology. 2005;42(4):307–317.19. Kuznetsova  TG, Starodubtseva  MN, Yegorenkov  NI, Chizhik  SA, Zhdanov  RI. Atomic force microscopy probing of cell elasticity. Micron. 2007;38(8):824–833. doi: 10.1016/j.micron.2007.06.011.20. Сергунова ВА, Козлова ЕК, Мягкова ЕА, Черныш  АМ. Измерение упруго-эластичных свойств мембраны нативных эритроцитов in vitro. Общая реаниматология. 2015;11(3): 39–44. doi: 10.15360/1813-9779-2015-3-39-44.21. Kozlova  EK, Chernysh  AM, Moroz  VV, Kuzovlev AN. Analysis of nanostructure of red blood cells membranes by space Fourier transform of AFM images. Micron. 2013;44:218–227. doi: 10.1016/j.micron.2012.06.012.22.Hertz H. Ueber die Berührung fester elastischer Körper. Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1882;1882(92):156–171. German. doi: 10.1515/crll.1882.92.156.23. Thomas G, Burnham NA, Camesano TA, Wen Q. Measuring the mechanical properties of living cells using atomic force microscopy. J Vis Exp. 2013;(76):50497. doi: 10.3791/50497.24. Codan  B, Martinelli V, Mestroni  L, Sbaizero  O. Atomic force microscopy of 3T3 and SW-13 cell lines: an investigation of cell elasticity changes due to fixation. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2013;33(6):3303–3308. doi: 10.1016/j.msec.2013.04.009.25. Li M, Liu L, Xu X, Xing X, Dang D, Xi N, Wang Y. Nanoscale characterization of dynamic cellular viscoelasticity by atomic force microscopy with varying measurement parameters. J Mech Behav Biomed Mater. 2018;82:193–201. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.03.036.26. Kozlova E, Chernysh A, Manchenko E, Sergunova V, Moroz V. Nonlinear biomechanical characteristics of deep deformation of native RBC membranes in normal state and under modifier action. Scanning. 2018;2018:1810585. doi: 10.1155/2018/1810585.27. Kozlova  E, Chernysh  A, Moroz  V, Gudkova  O, Sergunova  V, Kuzovlev  A. Transformation of membrane nanosurface of red blood cells under hemin action. Sci Rep. 2014;4:6033. doi: 10.1038/srep06033.28. Космачевская  ОВ, Насыбуллина  ЭИ, Блиндарь  ВН, Топунов  АФ. Связывание эритроцитарного гемоглобина с  мембраной как способ осуществления сигнально-регуляторной функции (обзор). Прикладная биохимия и  микробиология. 2019;55(2): 107–123. doi: 10.1134/S0555109919020090.29. Turrini F, Mannu F, Arese P, Yuan J, Low PS. Characterization of the autologous antibodies that opsonize erythrocytes with clustered integral membrane proteins. Blood. 1993;81(11):3146– 3152. doi: 10.1182/blood.V81.11.3146.3146.30. Chernysh  AM, Kozlova  EK, Moroz  VV, Sergunova  VA, Gudkova OYe, Fedorova  MS. Reversible zinc-induced injuries to erythrocyte membrane nanostructure. Bull Exp Biol Med. 2012;154(1):84–88. doi: 10.1007/s10517-012-1881-7.31. Misra  RB, Ray  RS, Hans  RK. Effect of UVB radiation on human erythrocytes in vitro. Toxicol Vitr. 2005;19(3):433–438. doi: 10.1016/j.tiv.2004.12.004.32. Kozlova  E, Chernysh  A, Sergunova  V, Gudkova  O, Manchenko  E, Kozlov  A. Atomic force microscopy study of red blood cell membrane nanostructure during oxidation-reduction processes. J Mol Recognit. 2018;31(10):e2724. doi: 10.1002/jmr.2724.33. Шаповалова ОО, Шамрова ЕА, Федосеев ЕН. Исследование деформируемости мембран эритроцитов у больных сахарным диабетом. Территория инноваций. 2019;1(29):80–86.34. Гречко  АВ, Молчанов  ИВ, Сергунова  ВА, Козлова  ЕК, Черныш  АМ. Дефекты мембран эритроцитов у  пациентов с  нарушениями функции головного мозга (пилотное исследование). Общая реаниматология. 2019;15(6):11–20. doi: 10.15360/1813-9779-2019-6-11-20.