Атомно-силовая микроскопия в оценке механических свойств мембран эритроцитов при воздействии различных физико-химических агентов

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

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.

 

Об авторах

Е. А. Шерстюкова

Научно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР;
ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: kmanchenko@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9962-6315

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

Россия

В. А. Иноземцев

Научно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР

Email: va.inozemcev@physics.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4693-5624

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

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

Россия

А. П. Козлов

ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)

Email: fillnoise@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3907-080X

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

119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2

Россия

О. Е. Гудкова

Научно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР

Email: olkagood@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9220-0138

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

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

Россия

В. А. Сергунова

Научно-исследовательский институт общей реаниматологии имени В.А. Неговского ФНКЦ РР

Email: vika_23s82@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8425-0845

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

107031, г. Москва, ул. Петровка, 25/2

Россия

Список литературы

  1. 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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шерстюкова Е.А., Иноземцев В.А., Козлов А.П., Гудкова О.Е., Сергунова В.А., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах