缺氧和细胞生物力学之间的相互作用以及患病红细胞加速损伤的潜在生化机制已经被很好地理解，然而，缺氧导致红细胞退化(老化)的确切生物力学后果仍不清楚。

来自佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员与麻省理工学院(MIT)合作，试图通过生物力学途径确定缺氧对红细胞衰老的作用。特别地，他们在单个细胞水平上检查了缺氧引起的红细胞变形能力损伤，比较了非循环缺氧和循环缺氧之间的差异，并记录了与缺氧循环相比的累积效应，例如尚未进行定量研究的方面。红细胞的变形性是其功能的重要生物标志物。

在最新研究中,研究人员开发出一种多方面的微流体体外测定精确控制气体环境,同时探测血红细胞的力学性能,可以作为描述工具用于其他细胞参与氧依赖性的生物过程。该实验为研究缺氧对癌细胞转移潜能和相关耐药性的影响提供了希望。在缺氧的肿瘤微环境中，癌细胞更容易转移，癌细胞僵硬已被证明是其转移潜能的一个有效的生物标志物。

研究结果表明红细胞老化的重要生物物理机制，其中循环缺氧单独可导致红细胞细胞膜的机械降解。这一过程与变形诱导的机械疲劳相结合，代表了循环红细胞所经历的两种主要疲劳载荷条件。

“我们的系统的一个独特之处在于，在良好控制的氧张力环境下，可以对多个、单个跟踪的红细胞进行细胞变形性测量。”美国佛罗里达大学海洋与机械工程系副教授、人类健康与疾病干预研究所(I-HEALTH)成员Sarah Du博士说。“我们的结果表明，通过对单个细胞在微流控装置内氧水平切换的反应进行前后力学表征，红细胞的变形性在脱氧条件下降低。”

微流体是一种微型的、高效的气体扩散平台，通过流动或气体渗透膜将气体和水溶液连接在一起，同时也能控制细胞内的气体微环境。

在这项研究中，研究人员将红细胞置于一个控制良好的反复缺氧微环境中，同时允许同时表征细胞的力学特性。他们将电变形技术集成到微扩散室中，该技术易于实现，在悬浮和准静止条件下，可灵活地同时应用循环缺氧挑战和剪切应力对单个细胞。

生物标志物的测量，如氧化损伤，可以提供额外的信息，以建立疲劳负荷和生物学过程之间的定量关系，从而更好地理解红细胞衰竭和衰老。微流体分析还可以扩展到研究其他类型的生物细胞的机械性能和对气体环境的响应。

“杜教授实验室开发的独特方法也可以成为一种有用的工具，用于预测输血用的天然和人工红细胞的机械性能，以及评估相关试剂在延长细胞寿命方面的功效。”工程与计算机科学学院院长斯特拉·巴塔拉玛博士说。“这种很有前途的尖端检测方法有可能进一步扩展到其他血液疾病和其他细胞类型的红细胞。”

Journal Reference:

1. Yuhao Qiang, Jia Liu, Ming Dao, E. Du. In vitro assay for single-cell characterization of impaired deformability in red blood cells under recurrent episodes of hypoxia. Lab on a Chip, 2021; 21 (18): 3458 DOI: 10.1039/d1lc00598g