Модели показали, что жесткие эритроциты в форме полумесяца, которые являются признаком серповидно-клеточной анемии, не вызывают эти закупорки сами по себе. Вместо этого более мягкие, деформируемые эритроциты, известные как клетки SS2, начинают процесс, прилипая к стенкам капилляров.
Затем жесткие серповидные ячейки складываются позади SS2, как движение за автомобильной аварией.Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут предоставить способ оценки медикаментозного лечения, направленного на ослабление или предотвращение серповидно-клеточного кризиса, также известного как окклюзия сосудов.«Это первое исследование, в котором идентифицирован конкретный биофизический механизм, посредством которого происходит вазоокклюзия», — сказал Джордж Карниадакис, профессор прикладной математики в Брауновском университете и старший автор исследования. «Это был удивительный результат, потому что считалось, что именно серповидные клетки блокируют капилляры».
Серповидно-клеточная анемия — это генетическое заболевание, которым, по оценкам, страдают от 75 000 до 100 000 человек в Соединенных Штатах, в основном африканского или латиноамериканского происхождения. Аномальный гемоглобин, белок, который позволяет эритроцитам переносить кислород, заставляет серповидные клетки приобретать серповидную форму и жесткость. Эта удлиненная форма и неспособность сгибаться считались причиной закупорки капилляров серповидными клетками.
Но хотя серповидные клетки являются признаком болезни, они не единственный тип эритроцитов, присутствующий у людей с этим заболеванием. Исследования 1980-х годов показали, что на самом деле существует четыре типа серповидных красных кровяных телец, и не все из них жесткие и серповидные. Клетки одного типа, клетки SS2, сохраняют округлую форму и мягкую пластичность нормальных эритроцитов.«Они выглядят как здоровые клетки, — сказал Карниадакис, — за исключением того, что они липкие».
Клетки SS2 имеют рецепторы на мембранах, которые заставляют их прикрепляться к стенкам кровеносных сосудов. Серповидные клетки имеют те же липкие белки, но модель Карниадакиса показала, что клетки SS2 с гораздо большей вероятностью застрянут. «Поскольку [клетки SS2] деформируемы, они имеют большую площадь контакта со стенкой сосуда и поэтому лучше прилипают», — сказал Карниадакис.
Как только эти клетки застревают, они фактически уменьшают диаметр сосуда, в результате чего жесткие серповидные клетки застревают позади них.«В конце концов, жесткие серповидные клетки действительно играют второстепенную роль, потому что причинно-следственная связь начинается с деформируемых клеток, которые прилипают к стене». Модели, основанные на экспериментально полученных данных о реальных клетках, позволяют исследователям манипулировать характеристиками клеток. чтобы увидеть, какие из них вызывают закупорку крови. Например, если исследователи уменьшили липкость или мягкость клеток SS2, блокировки не образовались.
Точно так же, если они уменьшили жесткость серповидных клеток, кровь продолжала течь. Эти два условия, работающие в тандеме, вызывают блокировки, но ячейки SS2 — это те, которые запускают каскад.
«В конце концов, жесткие серповидные клетки действительно играют второстепенную роль, потому что причинно-следственная связь начинается с деформируемых клеток, которые прилипают к стене», — сказал Карниадакис.Исследователи надеются, что эти модели могут быть использованы для оценки лекарств, направленных на лечение серповидноклеточного кризиса.«Если лекарство пытается воздействовать на адгезионные свойства клеток или если оно пытается сделать клетки более гибкими, мы можем протестировать их и посмотреть, предотвращают ли они окклюзию в модели», — сказал Карниадакис.Первым автором статьи является Хуан Лей, научный сотрудник по прикладной математике из Брауна.
Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения (R01HL094270) и новым Сотрудничеством по математике для мезокопического моделирования материалов (CM4) при поддержке Министерства энергетики. Вычисления стали возможными благодаря награде Министерства энергетики США за инновационные и новые вычисления в области теории и экспериментов.