Амплитудно-модулированная электродеформация для оценки механической усталости биологических клеток
13 октября 2023 г.
Здесь представлен протокол испытаний на механическую усталость эритроцитов человека с использованием амплитудно-модулированного электродеформационного подхода. Этот общий подход может быть использован для измерения систематических изменений морфологических и биомеханических характеристик биологических клеток в суспензии от циклической деформации.
Наши исследования сосредоточены на изучении клеточной биомеханики циркулирующих клеток, таких как эритроциты человека. Мы используем электрокинетику, микрофлюидику и материаловедение, чтобы понять механические истоки повреждений клеточных мембран, а также механизмы, лежащие в основе сокращения продолжительности жизни клеток крови при некоторых заболеваниях. Изучение усталости биологических клеток является сложной задачей.
Это требует приложения циклических нагрузок к клеточным мембранам и отслеживания деформации в отдельных клетках. Используя амплитудный ключ для ASK для модуляции деформации электродов эритроцитов, мы можем количественно оценить, как изменяется деформируемость клеток в соответствии с циклами нагрузки. Мы впервые продемонстрировали, что мембраны красных кровяных телец могут разрушаться только за счет циклического растяжения.
Наш протокол использует диэлектрофорез для перемещения клеток к краям электродов для измерения деформации электрода. Он не требует какой-либо техники стабилизации и может быть использован непосредственно для суспензии клеток. Использование межоцифрованных микроэлектродов позволяет измерять десятки клеток в одном поле зрения.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен протокол механических испытаний на усталость эритроцитов человека с использованием метода амплитудно-модулированной электродеформации. Этот метод позволяет измерять изменения морфологических и биомеханических характеристик клеток в условиях циклической деформации.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомеханика клеток
- Электрокинетика
- Микрофлюидика
Теоретические основы
- Понимание механического происхождения повреждений клеточных мембран.
- Исследование механизмов, лежащих в основе сокращения продолжительности жизни клеток крови при заболеваниях.
- Трудности в изучении усталости биологических клеток.
- Важность отслеживания деформации отдельных клеток при циклических нагрузках.
Цель исследования
- Количественно оценить изменения деформируемости клеток при циклическом нагружении.
- Продемонстрировать воздействие циклического растяжения на мембраны эритроцитов.
- Расширить понимание биомеханики эритроцитов.
Используемые методы
- Приложение циклических нагрузок к клеточным мембранам.
- Отслеживание деформации отдельных эритроцитов.
- Использование амплитудной сдвиговой модуляции (ASK) для модуляции поведения при электродеформации.
- Количественная оценка изменений деформируемости в соответствии с циклами нагрузки.
Основные результаты
- Мембраны эритроцитов могут подвергаться деградации под воздействием одного лишь циклического растяжения.
- Были получены количественные данные об изменениях деформируемости клеток.
- Получены сведения о механических свойствах циркулирующих клеток.
- Продемонстрирована возможность применения метода амплитудно-модулированной электродеформации.
Выводы
- Данное исследование углубляет понимание биомеханики эритроцитов.
- В работе представлен новый метод оценки целостности клеточных мембран.
- Результаты данного исследования могут стать основой для изучения связанных с этим заболеваний в будущем.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности и бизнеса
Количественная оценка механической усталости эритроцитов (RBCs) восполняет критический пробел в понимании долговечности клеточных мембран при воздействии физиологически значимых циклических нагрузок. Протокол электродеформации с амплитудной модуляцией позволяет напрямую измерять биомеханические изменения, вызванные усталостью, что повышает точность прогнозного моделирования заболеваний и оценки компонентов крови. Эта возможность укрепляет процессы раннего поиска и трансляционных исследований, предоставляя практически значимые данные о клеточной устойчивости и деградации.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать целостность мембран и пути механического разрушения циркулирующих клеток.
- Способствует снижению биологических рисков путем количественной оценки изменений деформируемости клеток, вызванных усталостью.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней для вмешательств, направленных на стабилизацию мембран.
- Обеспечивает прогностическую уверенность при выборе приоритетных клеточных моделей, релевантных для конкретного заболевания.
Скрининг и разработка анализа
- Подготавливает валидированные микрофлюидные системы для высокопроизводительного биомеханического скрининга.
- Обеспечивает стандартизированные количественные показатели деформируемости клеток и показателей усталости.
- Позволяет проводить воспроизводимую оценку влияния соединений на механические свойства клеток.
- Поддерживает масштабируемые платформы для анализа с целью сравнительной оценки различных типов клеток и условий.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует моделям, релевантным для заболеваний, за счет симуляции физиологического циклического стресса эритроцитов.
- Обеспечивает преемственность от изучения механизмов на этапе открытия до доклинической валидации терапевтических средств, направленных на мембрану.
- Позволяет принимать обоснованные с учетом рисков решения о дальнейшем продвижении на основе количественных профилей утомляемости.
- Повышает точность прогнозирования и снижает риски при разработке продуктов для хранения и трансфузии крови.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод электродеформации с амплитудной модуляцией интегрируется в континуум от открытия до доклинических исследований, связывая ранние механистические исследования с трансляционной оценкой прочности клеточных мембран.
- Открывающая биология: Обеспечивает проверку гипотез о механической деградации и устойчивости мембран при циклической нагрузке.
- Скрининг: Предоставляет готовые к анализу воспроизводимые платформы для оценки клеточного ответа на механический стресс.
- Аналитика: Позволяет получать количественные показатели деформации и усталости для надежного сравнения условий.
- Трансляционные исследования: Связывает данные об усталости in vitro с моделями заболеваний и характеристиками компонентов крови.
- Корпоративное повторное использование: Предлагает многоразовую микрофлюидную и электрокинетическую платформу, адаптируемую к различным типам клеток и экспериментальным условиям.
Операционное и организационное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов стабильности клеточных мембран и валидации мишеней.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизированные, масштабируемые и высокопроизводительные рабочие процессы биомеханического тестирования.
- Стратегическая ценность: Улучшает принятие решений о целесообразности (go/no-go) вмешательств, направленных на мембраны, и разработки препаратов крови.
- Влияние на портфель: Позволяет проводить приоритизацию кандидатов с поправкой на риск на основе количественных данных об усталости и деформируемости.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области микрофлюидики, электрокинетики и биомеханического анализа.
- Необходим доступ к инфраструктуре для микрофабрикации, генерации сигналов и получения изображений с высоким разрешением.
- Требуется межкомандная стандартизация условий анализа и интерпретации данных.
- Метод адаптируем к различным типам клеток и средствам контроля микроокружения, включая уровень кислорода и химические стимулы.
- Пропускная способность и масштабируемость зависят от конструкции устройства и возможностей визуализации.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
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
