红细胞流动变形过程中细胞膜骨架的动态分布特征研究

Red blood cells (RBC) can enter blood capillaries with much smaller diameter than the diameter of itself to accomplish the gas exchange owing to its unique deform ability. However, this ability is changed in some diseases, such as the fatal malaria and sickle cell disease, which implies that the study of RBC deformation is important to the study of these diseases and the development of micrometer-scale devices to process cells. The deform ability is determined by the synergistic functions of several cytoskeleton proteins in RBC and studies so far are mostly focused on the measuring of viscoelasticity properties of erythrocyte membrane and the modeling on deformation mechanisms of RBC. This research aims to study the dynamic response of RBC cytoskeleton during flows, to be exactly, the dynamic distribution of cytoskeleton under shear stress during flow the flow of RBC in microchannel. The microchannel is fabricated by soft lithographical method and the spectrin in cytoskeleton is demarcated to be traced. The flow is controlled by micro-flow-system. The results is greatly meaningful for the understanding of deform mechanisms of RBC, the occurring and cure of some diseases and the development of high-tech medical devices.

红细胞独特的变形能力使得其能够进出比自身直径小的多的毛细血管，完成气体交换。许多疾病的发生会改变红细胞的变形能力，如致命的疟疾及镰形细胞病。因而研究红细胞在不同状态下的变形能力对于研究与红细胞有关的疾病，以及开发分子水平的微米级别的生物医疗器械具有重要意义。红细胞的变形能力取决于细胞膜骨架中的多种蛋白之间的协同作用，目前对此的研究多集中在针对红细胞膜表现出的粘弹性性能测定和红细胞变形机制数值建模等方面。本项目建立微流动实验平台，采用微加工技术制作流动管道，以红细胞膜骨架中的血影蛋白（spectrin）作为标定物，研究红细胞流动变形时细胞膜骨架做出的响应。即在流动条件下，研究红细胞受动态的剪切力作用下其膜骨架分布的实时变化。研究结果不仅可以进一步了解红细胞在微循环流动中的动态变形机制，对一些红细胞疾病的发生机理与治疗及相关医疗器械的开发都有重要的指导作用。

红细胞独特的变形能力使得其能够进出比自身直径小的多的毛细血管，完成气体交换。许多疾病的发生会改变红细胞的变形能力，如致命的疟疾及镰形细胞病。因而研究红细胞在不同状态下的变形能力对于研究与红细胞有关的疾病，以及开发分子水平的微米级别的生物医疗器械具有重要意义。本项目借助直观显示红细胞变形过程的微流动实验平台，以红细胞膜骨架蛋白相互作用作为红细胞变形机制的理论依据，从以下几个方面研究红细胞流动变形时，细胞膜骨架的分布特征：首先采用数值计算方法模拟血流在微管网中的流动特征，并将结果与实验相比较分析了红细胞在微管网中的流动特性。建立了针对红细胞在微管道中流动的实验平台。在此基础上结合红细胞变形能力与无细胞层（Cell Free Layer 简称CFL）厚度、流动速度之间的关系，研究戊二醛和多聚甲醛固定处理对红细胞变形能力的影响。结果显示经过固定处理后，红细胞在微管道中流动时无细胞层厚度和流动速度都会有所降低，并且相同条件下与使用的戊二醛浓度、是否存在多聚甲醛共同作用正相关。该结果可以用来评估固定处理对红细胞变形影响；对细胞膜骨架蛋白进行免疫荧光标记，研究了红细胞在比自身尺寸大的多的微管道内流动时，出现翻转、扭曲、坦克履带运动等基础变形，每一种变形过程对应着细胞骨架怎样的分布变化特征；初步探索了红细胞在10µm管道中的流动特征，红细胞进入与自身尺寸相近或者小于自身尺寸的毛细血管受挤压发生大的变形时（如子弹型、降落伞型等），膜骨架会出现了不均匀分布。研究结果不仅可以进一步了解红细 胞在微循环流动中的动态变形机制，对一些红细胞疾病的发生机理与治疗及相关医疗器械的开发都有重要的指导作用。