本研究は、せん断応力を用いて血液中の血栓形成を誘発し、多次元読み取りによって血栓を特徴付けるマイクロ流体アッセイを記述しています。このアッセイは血液サンプルの血栓促進傾向を測定できるため、疾患診断、薬剤開発、さらには血栓症に関連する基本的なメカニズム研究に役立ちます。
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方法論記事
* These authors contributed equally
本研究は、せん断応力を用いて血液中の血栓形成を誘発し、多次元読み取りによって血栓を特徴付けるマイクロ流体アッセイを記述しています。このアッセイは血液サンプルの血栓促進傾向を測定できるため、疾患診断、薬剤開発、さらには血栓症に関連する基本的なメカニズム研究に役立ちます。
血栓症は、血管内に血小板や凝固因子が異常に蓄積することを記述する病理学的状態です。多くの研究が血栓症の基礎的なメカニズムとして可溶性作動薬による血小板活性化に焦点を当てていますが、血流が血栓形成を促進することもしばしば見落とされがちです。特に動脈では血栓症は動脈狭窄と関連しており、これにより血流のせん断応力が上昇し、血栓形成の過程が促進されます。この現象は生体力学的血栓形成と呼ばれます。長い間、生体力学的血栓形成の過程について包括的かつ詳細な洞察を提供するバイオアッセイは存在しませんでした。これに対処するため、マイクロフルイディクスと多色蛍光イメージングを組み合わせた血栓プロファイリングアッセイが開発され、血栓の大きさや組成、血小板活性化レベルをカバーする7つの読み取り結果により生体力学的血栓形成の包括的な特徴付けが可能となりました。この血栓プロファイリングアッセイは、ヒトにおける血栓促進傾向や抗血栓薬の有効性を評価するために用いられ、動脈血栓症のメカニズムの理解を深めるためにも有用です。
血栓症は心血管疾患の主な原因であり、毎年世界中で何百万人もの死亡の原因となっています。現在、血栓症リスクを評価する標準的な臨床現場でのバイオアッセイは利用されていません。市販化された検査室および現場での血液機能測定法の中で、従来の凝固検査や凝集測定法は血栓症や重大な心血管有害事象の予測に信頼性がないことが証明されています(2,3,4)。全局血栓症検査5、PFA-100/2006、および全局凝固試験7、8、9、10、11も、その性能を裏付けるデータは限定的です。
現在の理解に基づき、血栓形成の過程は主に3つのメカニズムによって寄与しています。従来認められている生化学的血小板凝集と凝固の2つのメカニズムに加え、3つ目のメカニズムとして、せん断駆動の血小板凝集(「生体力学的血小板凝集」とも呼ばれた)があります12,13。生体力学的血小板凝集において、高いせん断応力とせん断勾配が、GPIbα-フォン・ヴィレブランド因子(VWF)、インテグリンαIIbβ 3-VWF、インテグリン αIIbβ3-フィブリノーゲン相互作用による血小板架橋の主な駆動力となります。動脈血栓症において、生体力学的血小板凝集は最も重要なメカニズムであると考えられます。動脈狭窄による高いせん断流によって大きく強化されているためです。したがって、生体力学的血小板凝集による血栓形成は「生体力学的血栓形成」と呼ばれました12,14。
過去の研究では、生体力学的血小板凝集を実験的に観察する一般的な手法としてマイクロ流体狭窄アッセイがあり、重度の狭窄部位を直線的なチャネルに埋め込む方法である。生理的な壁せん断応力の下で血流がチャネルに灌流されると、狭窄部位周辺に病理的に高いせん断応力が発生し、血小板の蓄積を促して血栓を形成します。しかし、以前の研究では血小板に対して血栓の大きさを反映した15,16,17,18,19、最大でも1つ(血小板用と別のバイオマーカー用)13,20のみを使用しており、血栓の包括的な特徴解析はできませんでした。
最近開発された血栓プロファイリングアッセイは、マイクロ流体狭窄アッセイに多色蛍光イメージングを取り入れ、7つのバイオマーカー(血小板、フィブリノーゲンレベル、フォン・ヴィレブランド因子レベル、P-セレチン発現レベル、ホスファチジルセリン曝露レベル、拡張インテグリンαIIbβ 3発現レベル、完全活性インテグリンαIIbβ3)をリアルタイムで追跡します発現レベル)を形成し、生体力学的血栓形成を包括的に特徴づける基盤となります。本研究では、血栓プロファイリングアッセイの調製と実施、および関連するデータ解析に関する詳細なプロトコルが提供されています。アッセイに必要なハードウェアには、逆さまの多色蛍光顕微鏡とマイクロ流体システムが含まれます。このアッセイは比較的少量のヒト全血(2 mL未満)を使用し、コスト効率が高く(サンプルあたり約12ドル)、30分以内に結果を導き出します。このアッセイは、個人の多次元的な血栓前異常を正確に検出し、血栓の大きさ、組成、血小板活性化状態を変化させる抗血栓薬の効果を評価することができ、将来的に研究および臨床目的での広範な応用を支持します。このアッセイは新たに採取したヘパリン化血液を使用する必要がある点は注目に値します。血液を4°Cで保存するか、6時間以上保管するか、ヘパリン以外の抗凝固剤を使用すると、血栓形成を防ぐか、結果が誤りとなります。
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このプロトコルはテキサス大学医学部の人間研究倫理委員会のガイドラインに従い、承認されています。実験用ハードウェア構成は、マイクロ流体装置、灌流部品(コネクター、チューブ、シリンジ、シリンジポンプ)、そして明視野および多色蛍光イメージングを可能にする光学部品を備えた倒立顕微鏡で構成されています。顕微鏡ではマルチLED灯台とマルチパスフィルターキューブを用いて、相互に漏れを最小限に抑える4つの蛍光チャンネルを分割します:励起度:391/32、479/33、554/24、638/31、そして放射:435/30、519/25、594/32、695/58です。すべての実験処置では、手袋、目保護具、実験用ジャケットなどの個人用防護具を着用してください。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
1. マイクロ流体デバイス準備
2. 蛍光センサーの準備
注:この実験は合計7つの蛍光センサーを使用します:SZ22-FITC、フィブリノーゲン-Alexa Fluor 405、2.2.9-Alexa Fluor 555、AK4-Alexa Fluor 647、Annexin V-Pacific Blue、MBC 370.2-Alexa Fluor 555、PAC-1-Alexa Fluor 647。その中でも、フィブリノーゲン、2.2.9、MBC 370.2は市販されている非共役形態のみであり、実験室で蛍光共役する必要があります。
3. ヒト被験者からの血液採取
注意:この処置は資格を持つ医療従事者(例:有資格看護師、認定採血技師)によって実施されなければなりません。また、研究参加者から書面によるインフォームドコンセントを取得してください。
4. 血栓プロファイリングアッセイ
注意:血液の取り扱いに関するすべての処置は、可能な限りバイオセーフティキャビネット内で行うことが推奨されており、被験者への血液のこぼれを防ぐためです。それが難しい場合は、ベンチトップのスプラッシュシールドを使いましょう。
5. データ分析
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血栓プロファイリングアッセイは、狭窄チャネルを通じて血液を灌流し、せん断駆動の血栓形成を可能にし、形成された血栓に関する多次元情報をリアルタイムで多色蛍光画像で収集します。セット1とセット2の両方のセンサーを用いて実験を行うことで、血栓の大きさ、架橋タンパク質の濃縮(フォン・ヴィレブランド因子、フィブリノーゲン)、さらに血小板活性化レベル(P選択発現、PS曝露、インテグリンαIIbβ3 活性化に反映)などの側面で血栓を特徴付けることができるはずです21。
各実験から収集されたデータは、信号と「信号 」をレンダリングするために徹底的に分析できます。時間曲線(図 6参照)。しかし、これは時間がかかります。あるいは、単一の時間点、つまり各チャンネルに1枚の画像を選んでデータ解析を行うこともできます。例えば、血栓発生から7.5分後は通常、健康な血液の血栓が...
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マイクロ流体狭窄アッセイと多色蛍光イメージングを組み合わせることで、血栓プロファイリングアッセイは生体力学的な血栓形成および血小板メカノバイオロジーの研究に便利かつ強力なアプローチを提供します。一方で、このアッセイは幅広い用途で有用です。例えば、生体力学的血小板凝集を特異的に阻害する抗血栓薬のスクリーニングに用いられ、分子標的と作用機序は効果バーコード21から推測できます。また、特定の集団における血栓促進傾向を研究し、心血管疾患のリスク因子の影響を特定し特徴づけ、個人の血栓促進傾向を評価するためにも利用できます。血栓プロファイリングアッセイは、個人の血栓促進傾向を評価し、患者に対する個別化抗血栓治療レジメンの開発を支援する臨床翻訳において有望であると考えています。
血栓プロファイリングアッセイは多用途です。分子センサーはカスタマイズに応じて自由に変更・取り外し可能です。例えば、実験者が血栓の大きさとE+ αIIbβ...
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著者には開示すべき利益相反はありません。
本論文に関連する研究およびチェン研究室での血栓プロファイリングアッセイの開発は、国立心臓肺血液研究所助成金R00HL153678(Y.C.)、国立老化研究所、クロード・D・ペッパー・オールダー・アメリカンズ・インディペンデンス・センター賞 #P30-AG024832(Y.C.)、UTMBチームサイエンスパイロット研究賞(Y.C.)、アメリカ心臓協会ポスドクフェローシップ20POST35080023(Y.C.)によって支援されました。 およびアメリカ心臓協会変革プロジェクト賞25TPA1471420(Y.C.)です。この研究は、国立科学財団(Grant ECCS-2025752)が支援する国立ナノテクノロジー調整インフラ(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure)のメンバーであるUCSDのサンディエゴ・ナノテクノロジー・インフラストラクチャー(SDNI)で一部実施されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 10mLシリンジ | ヘンケ・サス・ウルフ | 5100-X00V0 | 血液サンプルの採取 |
| 15mLファルコンチューブ | ジェネシー・サイエンティフィック | 28-101 | 血液サンプルの保管 |
| 1mL ガス密閉ガラスシリンジ | ハミルトン | 81331 | ハードウェアアセンブリ |
| 2.2.9 | MERU VasImmune | 血栓染色 | |
| 20本×1/2プローブ針 | マクマスター・カー | M919 | PDMSデバイスの製作 |
| 20mLシリンジ | ヘンケ・サス・ウルフ | 5200-X00V0 | 血液サンプルの採取 |
| 70%エタノール | シグマ・オルドリッチ | EX0281-1 | ガス密閉注射器の消毒とガラススライドの洗浄 |
| AK4-アレクサ・フルー 647 | バイオレジェンド | 304918 | 血栓染色 |
| アレクサ・フルア・フルー 405 NHS エステル | インビトロジェン | A30000 | フィブリノーゲン標識 |
| Alexa fluor 555抗体標識キット | インビトロジェン | A88065 | MBC 370.2および2.2.9のラベル表示 |
| アネクシンV-パシフィックブルー | インビトロジェン | 501121505 | 血栓染色 |
| クリーニングダスター | オフィスデポ | 911245 | PDMSデバイスの製作 |
| 木箱付きクラフトホビーナイフセット | エクセルブレード | 44282 | PDMSデバイスの製作 |
| 脱イオン水とnbsp; | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 751-628 | 気密注射器の洗浄 |
| 乾燥器 | ベルアート | F420270000 | PDMSの脱ガス |
| 使い捨て多目的実験用スパチュラ | LevGo | 17211 | シリコーンエラストマーベースと硬化剤の混合 |
| 染料・ビオチン除去スピンカラム | ゼバ | A44296S | フィブリノーゲン標識 |
| フィブリノーゲン | 革新的な研究 | IHUFBG25MG | 血栓染色 |
| フュージョン200-Xシリンジポンプ | ケミックス社 | 0720X | ハードウェアアセンブリ |
| ヘパリン | シグマ・オルドリッチ | H3149 | 血液検査の抗凝固 |
| 高周波発生器 | エレクトロテクニック製品株式会社 | BD-20 | PDMSデバイスの製作 |
| ヒトVWFモノマー | シノバイオカル株式会社 | 10973-H08C | マイクロフュイディックデバイスコーティング |
| Image J v1.53ソフトウェア | フィジー国立衛生研究所 | データ分析 | |
| 逆立顕微鏡 | ライカ | DM ILがリードし、フィルターキューブ:ライカDFT51010;灯台:LED5 | ハードウェアアセンブリ |
| キムワイプズ | キンバリー - クラーク・プロフェッショナル | 34120 | ガラススライドの清掃 |
| ルアーロックキャップ | インターナショナル・メディカル・インダストリーズ社 | 57100B | 血液サンプルの採取 |
| MBC 370.2 | ケラファスト | EBW104 | 血栓染色 |
| 顕微鏡カバーグラス | ポール・マリエンフェルト有限会社 &KG中隊 | ES0107222 | PDMSデバイスの製作 |
| ミニカミソリブレードスクレーパー | スタンリー | 28-100 | PDMSデバイスの製作 |
| NanoDrop 2000 UV-Vis分光光度計 | サーモ・サイエンティフィック | ND-2000 | タンパク質濃度とF/P比の測定 |
| オーブン | ラボライン・インストゥルメンツ | 3512 | PDMSデバイスの製作 |
| PAC-1-アレクサ・フルー647 | バイオレジェンド | 362806 | 血栓染色 |
| プラスチックカップ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | S04589 | シリコーンエラストマーベースと硬化剤の混合 |
| SU-8フォトレジストマスター カビ | UCサンディエゴ ナノ3ナノファブリケーションクリーンルーム施設 | PDMSデバイスの製作 | |
| シルガード184シリコーンエラストマーキット | クレイデン・ダウ | DC4019862 | PDMS |
| SZ22-FITC | ベックマン・カウルター | IM 1756U | 血栓染色 |
| チュービング | コール - パーマー・インストゥルメント社 | 06422-01 | ハードウェアアセンブリ |
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