Électrodéformation modulée en amplitude pour évaluer la fatigue mécanique des cellules biologiques
13 octobre 2023
Un protocole d’essai de fatigue mécanique dans le cas de globules rouges humains utilisant une approche d’électrodéformation modulée en amplitude est présenté ici. Cette approche générale peut être utilisée pour mesurer les changements systématiques dans les caractéristiques morphologiques et biomécaniques des cellules biologiques dans une suspension de déformation cyclique.
Nos recherches sont axées sur l’étude de la biomécanique cellulaire des cellules circulantes, telles que les globules rouges humains. Nous tirons parti de l’électrocinétique, de la microfluidique et de la science des matériaux pour comprendre les origines mécaniques des dommages aux membranes cellulaires, ainsi que les mécanismes sous-jacents à la réduction de la durée de vie des cellules sanguines dans certaines maladies. L’étude de la fatigue des cellules biologiques est un défi.
Il demande l’application de charges cycliques aux membranes cellulaires et le suivi de la déformation dans les cellules individuelles. En utilisant la clé de la feuille d’amplitude pour ASK afin de moduler le comportement de déformation de l’électrode des globules rouges, nous avons pu quantifier comment les changements de déformabilité cellulaire s’alignent sur les cycles de charge. Nous avons démontré pour la première fois que les membranes des globules rouges peuvent être dégradées par les seuls étirements cycliques.
Notre protocole utilise la diélectrophorèse pour déplacer les cellules vers les bords de l’électrode afin de mesurer la déformation de l’électrode. Il ne nécessite aucune technique de stabilisation et peut être utilisé directement pour la suspension cellulaire. L’utilisation de microélectrodes interdigitées nous permet de mesurer des dizaines de cellules dans un seul champ de vision.
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Aperçu
Cet article présente un protocole pour les essais de fatigue mécanique des globules rouges humains utilisant une approche d'électrodéformation modulée en amplitude. Cette méthode permet de mesurer les changements dans les caractéristiques morphologiques et biomécaniques des cellules soumises à une déformation cyclique.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Biophysique cellulaire
- Électrocinétique
- Microfluidique
Contexte
- Comprendre les origines mécaniques des lésions des membranes cellulaires.
- Étudier les mécanismes responsables de la durée de vie raccourcie des cellules sanguines dans certaines maladies.
- Les difficultés liées à l'étude de la fatigue dans les cellules biologiques.
- L'importance du suivi de la déformation de cellules individuelles soumises à des charges cycliques.
Objectif de l'étude
- Quantifier les modifications de la déformabilité cellulaire lors d'une sollicitation cyclique.
- Mettre en évidence les effets de l'étirement cyclique sur les membranes des globules rouges.
- Approfondir la compréhension de la biomécanique des globules rouges.
Méthodes utilisées
- Application de charges cycliques aux membranes cellulaires.
- Suivi de la déformation de globules rouges individuels.
- Utilisation de la modulation par saut d'amplitude (ASK) pour moduler le comportement électro-déformant.
- Quantification des changements de déformabilité corrélés aux cycles de charge.
Résultats principaux
- Les membranes des globules rouges peuvent être dégradées uniquement par des étirements cycliques.
- Des données quantitatives sur les changements de déformabilité cellulaire ont été obtenues.
- Des informations sur les propriétés mécaniques des cellules circulantes ont été fournies.
- La faisabilité de l'approche d'électrodéformation à amplitude modulée a été démontrée.
Conclusions
- L'étude améliore la compréhension de la biomécanique des globules rouges.
- Elle fournit une nouvelle méthode pour évaluer l'intégrité de la membrane cellulaire.
- De futures recherches pourront s'appuyer sur ces résultats pour explorer des maladies connexes.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La quantification de la fatigue mécanique des globules rouges (RBCs) comble une lacune critique dans la compréhension de la durabilité de la membrane cellulaire soumise à des charges cycliques physiologiquement pertinentes. Le protocole d'électrodéformation à amplitude modulée permet une mesure directe des modifications biomécaniques induites par la fatigue, renforçant ainsi la fiabilité des modèles prédictifs en matière de modélisation des maladies et d'évaluation des produits sanguins. Cette capacité renforce les filières de découverte précoce et de recherche translationnelle en fournissant des données exploitables sur la résilience et la dégradation cellulaires.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet l'analyse de l'intégrité membranaire et des voies d'échec mécanique dans les cellules circulantes.
- Contribue à la réduction des risques biologiques en quantifiant les modifications de la déformabilité cellulaire induites par la fatigue.
- Facilite la validation fonctionnelle de cibles destinées à des interventions visant la stabilisation membranaire.
- Offre une prédiction fiable pour hiérarchiser les modèles cellulaires pertinents pour les maladies.
Développement de tests et criblage
- Prépare des systèmes microfluidiques validés pour le criblage biomécanique à haut débit.
- Fournit des sorties standardisées et quantitatives pour les mesures de déformabilité cellulaire et de fatigue.
- Permet une évaluation reproductible des effets de composés sur les propriétés mécaniques cellulaires.
- Prend en charge des plates-formes d'essais évolutives pour l'évaluation comparative entre types cellulaires et conditions.
Recherche translationnelle et préclinique
- S'aligne sur des modèles pertinents pour la maladie en simulant un stress cyclique physiologique sur les globules rouges.
- Assure une continuité allant des découvertes mécanistiques jusqu'à la validation préclinique de thérapies ciblant la membrane.
- Éclaire les décisions d'avancement ajustées au risque en se basant sur des profils quantitatifs de fatigue.
- Améliore la prédiction et la réduction des risques pour le développement de produits destinés au stockage du sang et à la transfusion.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Cette méthode d'électrodéformation modulée en amplitude s'intègre à la continuité découverte-préclinique, reliant les premières études mécanistiques à l'évaluation translationnelle de la durabilité de la membrane cellulaire.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses sur la dégradation mécanique et la résilience membranaire sous chargement cyclique.
- Essais de criblage : Fournit des plateformes prêtes à l'emploi et reproductibles pour évaluer les réponses cellulaires au stress mécanique.
- Analytique : Génère des métriques quantitatives de déformation et de fatigue permettant des comparaisons fiables entre conditions.
- Recherche translationnelle : Relie les données de fatigue in vitro à des modèles de maladies et à la performance des produits sanguins.
- Réutilisation en milieu professionnel : Offre une plateforme microfluidique et électrocinétique réutilisable, adaptable à divers types cellulaires et conditions expérimentales.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la stabilité de la membrane cellulaire et la validation des cibles.
- Valeur opérationnelle : Offre des protocoles normalisés, évolutifs et à haut débit pour les tests biomécaniques.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions « aller/ne pas aller » concernant les interventions ciblant les membranes et le développement de produits sanguins.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des candidats fondée sur des données quantitatives de fatigue et de déformabilité.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en microfluidique, en électrocinétique et en analyse biomécanique.
- Suppose l'accès à des infrastructures de microfabrication, de génération de signaux et d'imagerie à haute résolution.
- Exige une standardisation interéquipes des conditions de dosage et de l'interprétation des données.
- Adaptable à divers types cellulaires et à des contrôles du microenvironnement, notamment les indices d'oxygène et chimiques.
- Le débit et l'évolutivité dépendent de la conception du dispositif et de la capacité d'imagerie.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:28
Preparation of Dielectrophoresis Medium and Electrodeformation Prime Medium
2:31
Preparation of the Microfluidic Device for Electrodeformation of RBCs
6:07
Preparation of Human RBC Suspension for Electrodeformation Experiment
7:23
Preparing the Electrodeformation Setup and Performing Fatigue Testing on Human RBC
