ヒト赤血球のせん断弾性率分布をハイスループット測定するシステム

A system for the high-throughput measurement of the shear modulus distribution of human red blood cells.

• Amir Saadat
• Diego A Huyke
• Diego I Oyarzun
• Paulina V Escobar
• Ingrid H Øvreeide
• Eric S G Shaqfeh
• Juan G Santiago

抄録

赤血球（赤血球）の変形性の低下は、微小循環の血行動態に影響を与え、酸素輸送効率を低下させる可能性があります。また、赤血球の変形性の低下は、敗血症を含む様々な身体障害のシグネチャーであり、赤血球の変形性の主な決定因子は膜のせん断弾性率であることもよく知られています。b）マイクロ流体フロー、イメージング、画像解析を組み合わせた新しい実験システムを作成し、c）何千もの細胞のそれぞれについて、赤血球のせん断弾性率の定量的な測定値を抽出するために、測定量と数値予測の間の自動比較を実行しました。我々は、我々の計算シミュレーションプラットフォームを適用して、マイクロチャネルを流れる中で実験的に測定された定常状態の細胞の形状に基づいて、赤血球の剛性を定量化するための適切な変形係数を構築するためにメリットの数字（複数可）を構築しました。特に、膜剛性と細胞サイズの変化に敏感な細胞形状の第二モーメントに基づく形状パラメータを決定した。次に、マイクロ流体実験を実施し、カスタム自動画像処理コードを開発して、マイクロコンストラクション内の個々の赤血球の位置と形状を識別して追跡した。製造されたマイクロチャネルは、正方形の断面イメージング領域（7μmで7）が含まれており、我々は順序10ミリメートル秒-1の細胞速度を誘導するために10kPaの圧力差を適用しました。モデリング、マイクロ流体工学、およびイメージングの組み合わせは、初めて、ヒトの血液サンプル中の何千もの赤血球のせん断弾性率の定量的な測定を可能にします。我々は、老化に伴う赤血球の硬さの分布の変化を敏感に定量化することによって、ハイスループットの機能を実証しています。この測定と計算を組み合わせたプラットフォームは、最終的には患者の血球障害を診断することを目的としています。

Reduced deformability of red blood cells (RBCs) can affect the hemodynamics of the microcirculation and reduce oxygen transport efficiency. It is also well known that reduced RBC deformability is a signature of various physical disorders, including sepsis, and that the primary determinant of RBC deformability is the membrane shear modulus. To measure the distribution of an individual's RBC shear modulus with high throughput, we a) developed a high-fidelity computational model of RBCs in confined microchannels to inform design decisions; b) created a novel experimental system combining microfluidic flow, imaging, and image analysis; and c) performed automated comparisons between measured quantities and numerical predictions to extract quantitative measures of the RBC shear modulus for each of thousands of cells. We applied our computational simulation platform to construct the appropriate deformability figure(s) of merit to quantify RBC stiffness based on an experimentally measured, steady-state cell shape in flow through a microchannel. In particular, we determined a shape parameter based on the second moment of the cell shape that is sensitive to the changes in the membrane stiffness and cell size. We then conducted microfluidic experiments and developed custom automated image processing codes to identify and track the position and shape of individual RBCs within micro-constrictions. The fabricated microchannels include a square cross-section imaging region (7 by 7 μm) and we applied order 10 kPa pressure differences to induce order 10 mm s-1 cell velocities. The combination of modeling, microfluidics, and imaging enables, for the first time, quantitative measurement of the shear moduli of thousands of RBCs in human blood samples. We demonstrate the high-throughput features by sensitive quantification of the changes in the distribution of RBC stiffness with aging. This combined measurement and computational platform is ultimately intended to diagnose blood cell disorders in patients.