Electrodeformación de amplitud modulada para evaluar la fatiga mecánica de células biológicas

Darryl Dieujuste; Adeleh Kazemi Alamouti; Hongyuan Xu; E Du

doi:10.3791/65897

Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.

Artículo de método

Electrodeformación de amplitud modulada para evaluar la fatiga mecánica de células biológicas

2.4K visualizaciones

⸱

DOI:

10.3791/65897

⸱

13 de octubre de 2023

Darryl Dieujuste¹ , Adeleh Kazemi Alamouti¹ , Hongyuan Xu¹ , E Du¹^,²

¹Department of Ocean and Mechanical Engineering, Florida Atlantic University, ²Center for SMART Health, Florida Atlantic University

En este artículo

Resumen

Aquí se presenta un protocolo para las pruebas de fatiga mecánica en el caso de glóbulos rojos humanos utilizando un enfoque de electrodeformación de amplitud modulada. Este enfoque general se puede utilizar para medir los cambios sistemáticos en las características morfológicas y biomecánicas de las células biológicas en una suspensión de deformación cíclica.

Resumen

Los glóbulos rojos (RBC) son conocidos por su notable deformabilidad. Sufren repetidamente una deformación considerable al pasar a través de la microcirculación. La deformabilidad reducida se observa en los glóbulos rojos fisiológicamente envejecidos. Las técnicas existentes para medir la deformabilidad celular no se pueden utilizar fácilmente para medir la fatiga, la degradación gradual de las membranas celulares causada por cargas cíclicas. Presentamos un protocolo para evaluar la degradación mecánica en glóbulos rojos a partir de esfuerzos cortantes cíclicos utilizando electrodeformación basada en modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) en un canal microfluídico. Brevemente, los electrodos interdigitados en el canal microfluídico se excitan con una corriente alterna de bajo voltaje a frecuencias de radio utilizando un generador de señales. Los glóbulos rojos en suspensión responden al campo eléctrico y exhiben dielectroforesis positiva (DEP), que mueve las células a los bordes del electrodo. Luego, las celdas se estiran debido a las fuerzas eléctricas ejercidas sobre las dos mitades de la celda, lo que resulta en un estiramiento uniaxial, conocido como electrodeformación. El nivel de esfuerzo cortante y la deformación resultante se pueden ajustar fácilmente cambiando la amplitud de la onda de excitación. Esto permite cuantificar la deformabilidad no lineal de los glóbulos rojos en respuesta a deformaciones pequeñas y grandes con un alto rendimiento. La modificación de la onda de excitación con la estrategia ASK induce electrodeformación cíclica con velocidades y frecuencias de carga programables. Esto proporciona una forma conveniente para la caracterización de la fatiga de los glóbulos rojos. Nuestro enfoque de electrodeformación modulada por ASK permite, por primera vez, una medición directa de la fatiga de los glóbulos rojos a partir de cargas cíclicas. Se puede utilizar como una herramienta para pruebas biomecánicas generales, para análisis de deformabilidad celular y fatiga en otros tipos de células y condiciones enfermas, y también se puede combinar con estrategias para controlar el microambiente de las células, como la tensión de oxígeno y las señales biológicas y químicas.

Introducción

Los glóbulos rojos (RBC) son las células más deformables^{del cuerpo humano}. Su deformabilidad está directamente relacionada con su funcionalidad de transporte de oxígeno. Se ha encontrado que la deformabilidad reducida en los glóbulos rojos se correlaciona con la patogénesis de varios trastornos de los glóbulos rojos². Las mediciones de deformabilidad nos han llevado a una mejor comprensión de las enfermedades relacionadas con los glóbulos rojos³. La vida útil normal de los glóbulos rojos puede variar de 70 a 140 días⁴. Por lo tanto, es importante medir cómo disminuye su def....