Translational studies of electrophoretic mobility and phase picture of erythrocytes with consideration of development of stress response during a pathological process

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Rationale: Modern cell diagnostic methods are in high demand during the development of new approaches in personalized medicine. Coherent phase interferometry and cell microelectrophoresis are among such methods that are being actively introduced into the diagnostic process in medical institutions.

Aim: To substantiate the potential use of biophysical and morphodensitometrical erythrocytes parameters as criteria of treatment efcacy and course of adaptation process in patients with gastrointestinal tract disorders.

Materials and methods: The study included 25 patients aged from 40 to 54 years (11 males and 14 females), among them 9 (36%) with gastric peptic ulcer, 3 (12%) with duodenal ulcer, 8 (32%) with acute gastritis, and 5 (20%) with acute pancreatitis. Biophysical and morphological particulars of peripheral blood erythrocytes were assessed before and after treatment using cell diagnostic techniques, such as microelectrophoresis and laser modulation interference microscopy. Also, we evaluated changes over time in routine clinical laboratory tests, such as red and white blood cell counts, hemoglobin levels, and erythrocyte sedimentation rate (ESR), and differential leukocyte counts. The control group included 10 healthy donors aged from 36 to 52 years. In vitro experiments were performed to assess the erythrocyte electrophoretic mobility (EEPM) and morphology of erythrocytes treated with epinephrine or cortisol.

Results: After the treatment, the patients demonstrated a decrease in their leukocyte counts (by 27%), a 2-fold increase in monocyte counts and an ESR decrease (by 10%), compared to the corresponding baseline values before treatment (p < 0.05 for all comparisons). EEPM increased by 12% (1.37 vs. 1.22 mcm × cm/V × s, p < 0.05). The erythrocyte pool of the patients before treatment, had a decreased proportion of discocytes, compared to that in the control group (85.2 vs. 95.4%, р < 0.05), increased proportions of echinocytes, stomatocytes and degenerative forms (11, 2.8 and 1%, respectively, р < 0.05). After the treatment, the discocytes counts increased virtually up to their physiological normal range (91.3%). However, the surface of the discoid cells remained heterogeneous with multiple microspicules; this resulted in changes of electrokinetic and morphological properties of erythrocyte response to stress reaction occurring in the body. The impact of the stress effectors was confrmed in in vitro experiments assessing the effects of epinephrine (1 × 10-9 g/mL) and cortisol (5 × 10-7 g/mL) on erythrocytes. At 120 minutes of the experiment, epinephrine decreased EEPM (1.14 vs. 1.24 mcm × cm/V × s at baseline, р < 0.05) and increased cell sphericity. On the contrary, cortisol increased EEPM (1.72 vs. 1.36 mcm × cm/V × s, р < 0.05), with non-signifcant echinocytic transformation.

Conclusion: Biophysical and morphodensitometric parameters of red blood cells obtained with the use of current express methods of cell microelectrophoresis and coherent interference microscopy help to objectivize the intensity of stress response during a pathological process and activation of adaptation mechanisms during the treatment.

About the authors

A. V. Deryugina

Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: fake@neicon.ru

Anna V. Deryugina – ScD in Biology, Head of the Chair of Physiology and Anatomy, Institute of Biology and Biomedicine 

23 Prospekt Gagarina, Nizhny Novgorod, 603950

Russian Federation

M. N. Ivashchenko

Nizhny Novgorod State Agricultural Academy

Author for correspondence.
Email: mi11207@rambler.ru

Marina N. Ivashchenko – PhD in Biology, Associate Professor, Chair of Physiology and Biochemistry of Animals

97 Prospekt Gagarina, Nizhny Novgorod, 603107

Russian Federation

P. S. Ignat'ev

JSC “Production Association “Ural Optical and Mechanical Plant named after Mr. E.S. Yalamov” (UOMZ)

Email: fake@neicon.ru

Pavel S. Ignat'ev – PhD in Physics and Mathematics, Chief Designer 

33 B Vostochnaya ul., Ekaterinburg, 620100

Russian Federation

A. G. Samodelkin

Nizhny Novgorod State Agricultural Academy

Email: fake@neicon.ru

Aleksandr G. Samodelkin – ScD in Biology, Professor, Head of the Chair of Physiology and Biochemistry of Animals  

97 Prospekt Gagarina, Nizhny Novgorod, 603107

Russian Federation

References

  1. Пальцев МА, Белушкина НН. Трансляционная медицина – новый этап развития молекулярной медицины. Молекулярная медицина. 2012;(4):3–6.
  2. Колбин АС, Гапешин РА, Малышев СМ. Современные подходы к организации трансляционных исследований. Педиатрическая фармакология. 2014;11(3):15–9. doi: 10.15690/pf.v11i3.1002.
  3. Popescu G, Park Y. Quantitative phase imaging in biomedicine. J Biomed Opt. 2015;20(11): 111201. doi: 10.1117/1.JBO.20.11.111201.
  4. Федин АИ, Василенко ИА, Бадалян КР. Влияние холестерина на электрокинетические свойства мембран эритроцитов при хронической ишемии головного мозга. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2015;115(9–2):30–7.
  5. Antipenko EA, Deryugina AV, Gustov AV. Effects of nonspecifc cytoprotective treatment on stress resistance and compensatory potential in patients with chronic cerebral ischemia. Neurosci Behav Physi. 2017;47(7):817–20. doi: 10.1007/s11055-017-0474-3.
  6. Бояринов ГА, Дерюгина АВ, Яковлева ЕИ, Зайцев РР, Шумилова АВ, Бугрова МЛ, Бояринова ЛВ, Филиппенко ЕС, Соловьева ОД. Фармакологическая коррекция микроциркуляции у крыс, перенесших черепно-мозговую травму. Цитология. 2016;58(8):610–7.
  7. Крылов ВН, Дерюгина АВ, Плескова СН. Электрофоретическая подвижность и морфометрия эритроцитов крыс при стрессовых воздействиях. Современные технологии в медицине. 2010;(4):23–6.
  8. Стародумов ВЛ, Калинина НГ, Горбунов ВА. Состояние мембран эритроцитов как индикатор воздействия свинца окружающей среды. Вестник Ивановской медицинской академии. 2013;18(4):16–9.
  9. Сашенков СЛ, Алачева ЛВ. Оценка реактивности периферического отдела эритрона у детей с воспалительными заболеваниями органов дыхания. Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2014;(6):123–31.
  10. Veshapidze N, Chigogidze T, Managadze L, Gabunia N, Kotrikadze N. Dynamics of the structural and electrical characteristics of erythrocytes in men with metastatic adenocarcinoma of the prostate before and after plastic orchiectomy. Georgian Med News. 2007;(153):11–4.
  11. Дерюгина АВ, Шумилова АВ, Филиппенко ЕС, Галкина ЯВ, Симутис ИС, Бояринов ГА. Функционально-биохимические показатели эритроцитов при использовании мексикора в посттравматический период экспериментальной кровопотери и сочетанной черепно-мозговой травмы у крыс. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2017;164(7):34–7.
  12. Дерюгина АВ, Бояринов ГА, Симутис ИС, Никольский ВО, Кузнецов АБ, Ефимова ТС. Коррекция озонированной эритроцитной массой метаболических показателей эритроцитов и структуры миокарда после острой кровопотери. Цитология. 2018;60(2): 89–95. doi: 10.31116/tsitol.2018.02.03.
  13. Атаходжаев И, Игнатьев П, Индукаев К, Осипов П. Лазерная интерференционная микроскопия для нанотехнологий. Фотоника. 2012;32(2):52–5.
  14. Василенко ИА, Кардашова ЗЗ, Тычинский ВП, Вишенская ТВ, Лифенко РА, Валов АЛ, Иванюта ИВ, Агаджанян БЯ. Клеточная диагностика: возможности витальной компьютерной микроскопии. Вестник последипломного медицинского образования. 2009;(3–4):64–8.
  15. Меньшиков ВВ, Долгов ВВ, ред. Клиническая лабораторная диагностика. Национальное руководство. В 2 томах. Том 1. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2012. 928 с.
  16. Cook GM. Glycobiology of the cell surface: Its debt to cell electrophoresis 1940–65. Electrophoresis. 2016;37(11):1399–406. doi: 10.1002/elps.201500476.
  17. Сергунова ВА, Черняев АП, Козлов АП, Близнюк УА, Борщеговская ПЮ, Козлова ЕК, Черныш АМ. Наноструктура мембран эритроцитов при интоксикации крови. Исследование с помощью атомной силовой микроскопии. Альманах клинической медицины. 2016;44(2):234–41. doi: 10.18786/20720505-2016-44-2-234-241.
  18. Rodnenkov OV, Luneva OG, Ulyanova NA, Maksimov GV, Rubin AB, Orlov SN, Chazov EI. Erythrocyte membrane fluidity and haemoglobin haemoporphyrin conformation: features revealed in patients with heart failure. Pathophysiology. 2005;11(4):209–13. doi: 10.1016/j.pathophys.2004.12.001.
  19. Браже АР, Браже НА, Сосновцева ОВ, Павлов АН, Мозекильде Э, Максимов ГВ. Исследование клеточной динамики с помощью интерференционной микроскопии с применением вейвлет-анализа. Компьютерные исследования и моделирование. 2009;1(1):77–83.
  20. Moroz VV, Chernysh AM, Kozlova EK, Borshegovskaya PY, Bliznjuk UA, Rysaeva RM, Gudkova OY. Comparison of red blood cell membrane microstructure after different physicochemical influences: atomic force microscope research. J Crit Care. 2010;25(3):539.e1–12. doi: 10.1016/j.jcrc.2010.02.007.
  21. Макшанова ГП, Устьянцева ИМ, Петухова ОВ, Агаджанян ВВ. Изменение проницаемости эритроцитарных мембран и показателей липидного обмена у больных с политравмой при раннем и отсроченном оперативном лечении. Физиология человека. 2003;29(1):95–9.
  22. Калий ВВ. Состояние синтеза и метаболизма глюкокортикоидных гормонов у больных раком гортани молодого возраста. Сибирский медицинский журнал (Томск). 2010;25(1):15–6.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2018 Deryugina A.V., Ivashchenko M.N., Ignat'ev P.S., Samodelkin A.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies