Les globules rouges sont le type cellulaire le plus abondant dans le sang, transporter l'oxygène dans tout le corps humain. Dans la circulation sanguine, ils rencontrent de manière répétitive divers niveaux de tension d'oxygène. Hypoxie, une condition de basse tension d'oxygène, est un facteur micro-environnement très courant dans les processus physiologiques de la circulation sanguine et divers processus pathologiques tels que le cancer, inflammation chronique, crises cardiaques et accidents vasculaires cérébraux. En outre, une interaction entre une mauvaise déformabilité cellulaire et une altération de l'apport d'oxygène est trouvée dans divers processus pathologiques tels que la drépanocytose. Les globules rouges drépanocytaires subissent simultanément une déformation mécanique drastique au cours du processus de faucille et de drépanocytose.

Les interactions entre l'hypoxie et la biomécanique cellulaire et les mécanismes biochimiques sous-jacents des dommages accélérés dans les globules rouges malades sont bien compris, cependant, les conséquences biomécaniques exactes de l'hypoxie contribuant à la dégradation des globules rouges (vieillissement) restent insaisissables.

Des chercheurs du Collège d'ingénierie et d'informatique de la Florida Atlantic University, en collaboration avec le Massachusetts Institute of Technology (MIT), ont cherché à identifier le rôle de l'hypoxie sur le vieillissement des globules rouges via les voies biomécaniques. En particulier, ils ont examiné l'altération induite par l'hypoxie de la déformabilité des globules rouges au niveau d'une seule cellule, comparé les différences entre l'hypoxie non cyclique et l'hypoxie cyclique, et documenté tout effet cumulatif par rapport aux cycles d'hypoxie, tels que les aspects qui n'ont pas été étudiés quantitativement. La déformabilité des globules rouges est un biomarqueur important de leur fonctionnalité.

Pour l'étude, publié dans la revue Laboratoire sur puce , les chercheurs ont développé un système microfluidique à multiples facettes in vitro dosage pour contrôler précisément l'environnement gazeux tout en sondant les performances mécaniques des globules rouges, qui peut être utilisé comme outil de caractérisation pour d'autres types cellulaires impliqués dans des processus biologiques dépendants de l'oxygène. L'essai est prometteur pour étudier les effets hypoxiques sur le potentiel métastatique et la résistance aux médicaments pertinents des cellules cancéreuses. Les cellules cancéreuses sont plus métastatiques dans un microenvironnement tumoral hypoxique et la rigidité des cellules cancéreuses s'est avérée être un biomarqueur efficace de leur potentiel métastatique.

Les résultats de l'étude indiquent un mécanisme biophysique important sous-jacent au vieillissement des globules rouges dans lequel le défi d'hypoxie cyclique à lui seul peut conduire à une dégradation mécanique de la membrane des globules rouges. Ce processus, combiné à la fatigue mécanique induite par la déformation, représente deux conditions de charge de fatigue majeures que subissent les globules rouges circulants.

"Une caractéristique unique de notre système réside dans le fait que la mesure de la déformabilité des cellules peut être effectuée sur plusieurs, globules rouges suivis individuellement dans un environnement de tension d'oxygène bien contrôlé, " dit Sarah Du, Doctorat., auteur principal, professeur agrégé au Département de génie océanique et mécanique de la FAU, et membre de l'Institute for Human Health and Disease Intervention (I-HEALTH) de la FAU. "Nos résultats ont montré que la déformabilité des globules rouges diminue dans des conditions de désoxygénation par caractérisation mécanique avant et après des cellules individuelles en réponse à la commutation des niveaux d'oxygène dans un dispositif microfluidique."

La microfluidique sert de plate-forme miniaturisée et efficace pour la diffusion de gaz en interfaçant le gaz et la solution aqueuse par le biais d'un écoulement ou d'une membrane perméable aux gaz, qui se prête également au contrôle du microenvironnement gazeux cellulaire.

Pour l'étude, les chercheurs ont soumis les globules rouges à un microenvironnement d'hypoxie répétée bien contrôlée tout en permettant la caractérisation simultanée des propriétés mécaniques des cellules. Ils ont intégré une technique d'électrodéformation dans une chambre de microdiffusion, qui était facile à mettre en œuvre et flexible dans les applications simultanées de défi d'hypoxie cyclique et de contraintes de cisaillement sur des cellules individuelles en suspension et dans des conditions quasi-stationnaires.

Mesures de biomarqueurs, tels que les dommages oxydatifs, peut fournir des informations supplémentaires pour établir des relations quantitatives entre la charge de fatigue et les processus biologiques, permettant une meilleure compréhension de la défaillance et du vieillissement des globules rouges. Le dosage microfluidique peut également être étendu pour étudier d'autres types de cellules biologiques pour leurs performances mécaniques et leur réponse aux environnements gazeux.

"La méthode unique développée par le laboratoire du professeur Du peut également être un outil utile pour prédire les performances mécaniques des globules rouges naturels et artificiels à des fins de transfusion ainsi que pour évaluer l'efficacité des réactifs pertinents pour prolonger la durée de vie cellulaire en circulation, " dit Stella Batalama, Doctorat., doyen, Faculté d'ingénierie et d'informatique. "Ce test prometteur et de pointe a le potentiel de s'étendre davantage aux globules rouges dans d'autres maladies du sang et d'autres types de cellules."