RU2722898C1 - Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes - Google Patents
Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2722898C1 RU2722898C1 RU2019136334A RU2019136334A RU2722898C1 RU 2722898 C1 RU2722898 C1 RU 2722898C1 RU 2019136334 A RU2019136334 A RU 2019136334A RU 2019136334 A RU2019136334 A RU 2019136334A RU 2722898 C1 RU2722898 C1 RU 2722898C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scale
- parameters
- value
- deviation
- corresponds
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
- G01N33/49—Blood
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Ecology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к биофизике клеточных мембран человека, к гематологии и может быть использовано для изучения мембран эритроцитов (МЭ) и диагностики различных патологических процессов в крови.The invention relates to medicine, namely to the biophysics of human cell membranes, to hematology and can be used to study the membranes of red blood cells (ME) and the diagnosis of various pathological processes in the blood.
Уровень техникиState of the art
Известен ряд способов исследования структурных компонент МЭ с помощью различных биофизических и физико-химических методов. В основном известные способы касаются исследований отдельно каждого из элементов мембраны: амплитуды автоколебаний мембраны (фликкеринга), спектринового матрикса, белковых кластеров.A number of methods are known for studying the structural components of MEs using various biophysical and physicochemical methods. Basically, the known methods relate to the research of each of the membrane elements separately: the amplitudes of the self-oscillations of the membrane (flickering), spectrin matrix, protein clusters.
Известен ряд способов, позволяющих оценивать состояние МЭ по эффекту повреждения мембран. В частности, известен тест на механическую хрупкость МЭ (ERYTHROCYTE MECHANICAL FRAGILITY TEST US 2014017718). В соответствии с данным способом осуществляют механическое воздействие на клетки и оценивают уровень гемолиза. Однако при этом оценивают интегральный эффект повреждения всех выше указанных компонентов мембраны.A number of methods are known for assessing the state of ME by the effect of damage to the membranes. In particular, the ME mechanical fragility test is known (ERYTHROCYTE MECHANICAL FRAGILITY TEST US 2014017718). In accordance with this method, a mechanical effect on the cells is performed and the level of hemolysis is evaluated. However, the integral effect of damage to all of the above mentioned membrane components is evaluated.
Следует отметить, что все известные методы, оценивающие механическую хрупкость мембран, также как и приведенный выше, основаны на нарушении структуры мембран и последующем гемолизе клеток. Это означает нарушение целостности МЭ в процессе диагностики. При этом происходит нарушение спектринового матрикса, фликкеринга, белковых комплексов и клеток в целом.It should be noted that all known methods that evaluate the mechanical fragility of membranes, as well as the above, are based on a violation of the membrane structure and subsequent hemolysis of the cells. This means a violation of the integrity of the ME in the diagnostic process. In this case, there is a violation of the spectrin matrix, flickering, protein complexes and cells in general.
В то же время известны способы изучения мембран, при которых мембраны и клетки не подвергаются разрушительному воздействию.At the same time, methods for studying membranes are known in which membranes and cells are not destructively affected.
Известен способ контроля скорости флуктуаций МЭ с помощью цифрового голографического микроскопа (Dynamic parameters based red blood cell membrane fluctuation inspection method and digital holographic microscopy used in the same KR 101805152). Кроме того изучению процесса флуктуаций МЭ (фликкеринг) посвящен ряд научных статей: Madalena Costa, Ionita Ghiran, С.-К. Peng, Anne Nicholson-Weller and Ary L. Goldberger «Complex dynamics of human red blood cell flickering: Alterations with in vivo aging» // Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2008 August; 78 (2 Pt 1): 020901).A known method for controlling the speed of ME fluctuations using a digital holographic microscope (Dynamic parameters based red blood cell membrane fluctuation inspection method and digital holographic microscopy used in the same KR 101805152). In addition, a number of scientific articles are devoted to studying the process of ME fluctuations (flickering): Madalena Costa, Ionita Ghiran, S.-K. Peng, Anne Nicholson-Weller and Ary L. Goldberger "Complex dynamics of human red blood cell flickering: Alterations with in vivo aging" // Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2008 August; 78 (2 Pt 1): 020901).
Известен метод исследования изменений спектринового матрикса как индикатора клеточной патологии (Method for detecting cellular pathology WO 9002949). Однако используемый при этом иммунохимический метод анализа продуктов распада спектрина - компонента цитоскелета, не позволяет измерить пространственные размеры исследуемого спектринового матрикса.A known method for studying changes in the spectrin matrix as an indicator of cellular pathology (Method for detecting cellular pathology WO 9002949). However, the immunochemical method used to analyze the decay products of spectrin, a component of the cytoskeleton, is not possible to measure the spatial dimensions of the studied spectrin matrix.
Известный способ определения уплотненных белково-липидных участков в МЭ различной степени зрелости с помощью компьютерной программы Bio Vision (RU 2390020) включает сочетание оптических и компьютерных методов визуализации интермембранных объектов. Однако разрешающая способность метода остается недостаточной для визуализации нанообъектов мембран клеток крови.A known method for determining compacted protein-lipid regions in MEs of varying degrees of maturity using the Bio Vision computer program (RU 2390020) involves a combination of optical and computer methods for visualizing intermembrane objects. However, the resolution of the method remains insufficient to visualize nano-objects of blood cell membranes.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ интегральной оценки силы белок-липидного взаимодействия в МЭ, в соответствии с которым измеряют параметры флуоресценции, отражающие количество и степень погруженности в липиды мембранных белков (RU 2187112). Принят в качестве прототипа. Однако флюоресцентный метод, предел разрешения которого составляет 500÷1000 нм, не позволяет получить изображения и изучить процессы в исследуемых объектах на расстояниях меньших нескольких длин волн света, что значительно превышает размеры мембранных наноструктур.Closest to the claimed method according to the set of essential features is a method for integrated assessment of the strength of the protein-lipid interaction in ME, in accordance with which the fluorescence parameters are measured, which reflect the amount and degree of immersion of membrane proteins in lipids (RU 2187112). Adopted as a prototype. However, the fluorescence method, whose resolution limit is 500–1000 nm, does not allow obtaining images and studying processes in the studied objects at distances shorter than several light wavelengths, which significantly exceeds the size of membrane nanostructures.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи выявления патологических изменений в структурных элементах МЭ.The claimed invention is aimed at solving the problem of identifying pathological changes in the structural elements of ME.
Использование в лабораторной и клинической практике заявляемого способа позволяет достичь нескольких технических результатов:Use in laboratory and clinical practice of the proposed method allows to achieve several technical results:
• приближение исследуемого объекта (МЭ и ее структуры) к нативным условиям существования за счет сохранения целостности клетки и клеточной мембраны при исследовании;• approximation of the studied object (ME and its structure) to the native conditions of existence by maintaining the integrity of the cell and the cell membrane during the study;
• одновременное комплексное измерение характеристик основных наноструктур МЭ (элементы фликкеринга, спектриновый матрикс, белковые кластеры);• simultaneous comprehensive measurement of the characteristics of the main nanostructures of MEs (flickering elements, spectrin matrix, protein clusters);
• одновременная оценка вероятности отклонения характеристик всех трех выше указанных наноструктур от контрольных значений;• simultaneous assessment of the probability of deviation of the characteristics of all three of the above nanostructures from the control values;
• повышение точности исследования наноструктур МЭ за счет высокой разрешающей способности получаемых изображений при использовании метода атомной силовой микроскопии (АСМ),• improving the accuracy of the study of ME nanostructures due to the high resolution of the obtained images using the atomic force microscopy (AFM) method,
• возможность количественно оценить степень влияния патологического фактора на состояние крови.• the ability to quantify the degree of influence of a pathological factor on the state of the blood.
Указанные технические результаты при осуществлении изобретения достигаются за счет того, что также как в известном способе, используют физический способ получения информации о состоянии белков и липидов в мембране без нарушения ее целостности.These technical results in the implementation of the invention are achieved due to the fact that, as in the known method, use the physical method of obtaining information about the state of proteins and lipids in the membrane without violating its integrity.
Особенность заявляемого способа заключается в том, что осуществляют следующие стадии: сканируют поверхность П клеток с помощью АСМ в поле размером (1,2÷1,6)×(1,2÷1,6) мкм2, осуществляют разложение полученного изображения поверхности П на изображения поверхностей трех пространственных масштабов П1 П2, П3, соответствующих параметрам физиологических структур МЭ: масштаб П1 для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L1=400÷900 нм соответствует параметрам фликкеринга МЭ, масштаб П2, для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L2=50÷200 нм соответствует параметрам спектринового матрикса МЭ, масштаб П3 для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L3=5÷40 нм соответствует параметрам белковых кластеров МЭ. Измеряют высоты h1, h2, h3 выявленных топологических наноструктур на выделенных трех поверхностях; вычисляют средние значения h1cp, h2cp, h3cp и средние квадратичные отклонения σ1, σ2, σ3 этих высот, определяют вероятность отклонения величин высот наноструктур P1, Р2, Р3 для всех трех поверхностей от величин, соответствующих параметрам физиологических структур МЭ в нормальном контрольном мазке. Величина Р1 более 30% для поверхности первого масштаба П1 свидетельствует об отклонении величины амплитуды фликкеринга от нормальных значений, величина Р2 более 30% для поверхности второго масштаба П2 свидетельствует об отклонении физических характеристик спектринового матрикса от нормальных значений, величина Р3 более 30% для поверхности третьего масштаба П3 свидетельствует о возникновении кластеризации интермембранных белков.A feature of the proposed method is that the following stages are carried out: they scan the surface of P cells using an AFM in a field of size (1.2 ÷ 1.6) × (1.2 ÷ 1.6) μm 2 , decompose the resulting image of surface P on images of surfaces of three spatial scales P 1 P 2 , P 3 corresponding to the parameters of physiological structures of ME: scale P 1 for which the typical spatial period of the structures of this surface L 1 = 400 ÷ 900 nm corresponds to the flickering parameters of ME, scale P 2 for which typical the spatial period of structures of a given surface L 2 = 50–200 nm corresponds to the parameters of the spectrin matrix of ME, scale P 3 for which the typical spatial period of the structures of this surface of L 3 = 5–40 nm corresponds to the parameters of protein clusters of ME. The heights h 1 , h 2 , h 3 of the identified topological nanostructures on the selected three surfaces are measured; calculate the average values of h 1cp , h 2cp , h 3cp and the mean square deviations of σ 1 , σ 2 , σ 3 of these heights, determine the probability of deviation of the heights of the nanostructures P 1 , P 2 , P 3 for all three surfaces from the values corresponding to physiological parameters ME structures in a normal control smear. The value of P 1 more than 30% for the surface of the first scale P 1 indicates the deviation of the magnitude of the flickering amplitude from normal values, the value of P 2 more than 30% for the surface of the second scale P 2 indicates the deviation of the physical characteristics of the spectrin matrix from normal values, the value of P 3 more than 30 % for the surface of the third scale P 3 indicates the occurrence of clustering of intermembrane proteins.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
При воспалительных процессах в организме, при инфицировании организма, при эндогенной и экзогенной интоксикации, при сепсисе, при действии ионизирующего излучения, при длительном хранении донорской крови, при трансфузии и др. в крови развиваются патологические процессы - окислительные, иммунные и др. В результате этого нарушается функционирование клеток крови, в частности красных клеток, следствием чего может стать гипоксия и некроз тканей. Также могут иметь место изменения реологических свойств крови, нарушающие кровоснабжение тканей. При развитии патологических процессов в крови изменяется морфология эритроцитов - форма клеток и/или их слияние, что свидетельствует о нарушении стабильного состояния МЭ. Пусковым механизмом изменения морфологии эритроцитов является нарушение наноструктур в МЭ.With inflammatory processes in the body, with infection of the body, with endogenous and exogenous intoxication, with sepsis, with the action of ionizing radiation, with prolonged storage of donated blood, with transfusion, etc., pathological processes develop in the blood - oxidative, immune, etc. As a result of this the functioning of blood cells, in particular red cells, is impaired, which may result in tissue hypoxia and necrosis. There may also be changes in the rheological properties of the blood, disrupting the blood supply to the tissues. With the development of pathological processes in the blood, the morphology of red blood cells changes - the shape of the cells and / or their fusion, which indicates a violation of the stable state of ME. The trigger mechanism for changing the morphology of red blood cells is a violation of nanostructures in ME.
Зарождение и развитие патологических процессов именно на молекулярном уровне в МЭ является индикатором патологического воздействия физико-химических факторов на кровь.The origin and development of pathological processes at the molecular level in ME is an indicator of the pathological effect of physical and chemical factors on the blood.
К наноструктурам МЭ можно отнести следующие структурные элементы: элементы фликкеринга, спектриновый матрикс, белковые кластеры.The following structural elements can be attributed to ME nanostructures: flickering elements, spectrin matrix, protein clusters.
Различные факторы могут оказать патологическое воздействие на различные исследуемые структуры.Various factors can have a pathological effect on various studied structures.
Экспериментально показано, что мембранные флуктуации (поверхность П1) изменяются в зависимости от условий существования эритроцитов, в частности наблюдается различие для молодых и старых клеток, наблюдаются изменения при внедрении малярийного плазмодия в эритроциты, при серповидноклеточной анемии. Также предполагается, что измерение характеристик фликкеринга может быть полезным для оценки клеточных процессов и для диагностики заболеваний (С Monzel and К Sengupta Measuring shape fluctuations in biological Membranes.: 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 243002).It has been experimentally shown that membrane fluctuations (surface P 1 ) change depending on the conditions for the existence of red blood cells, in particular, there is a difference for young and old cells, changes are observed during the introduction of malarial plasmodium into red blood cells, with sickle cell anemia. It is also suggested that measuring flickering characteristics may be useful for evaluating cellular processes and for diagnosing diseases (C Monzel and Co. Sengupta Measuring shape fluctuations in biological Membranes .: 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 243002).
Главной функцией спектринового матрикса (поверхность П2) является поддержание стабильности цитоскелета мембраны и ее механических свойств. Клиническими проявлениями нарушения элементов спектринового матрикса является гемолитическая анемия, сфероцитоз, эллиптоцитоз (Zhang Ruil, Zhang ChenYul, Zhao Qi & Li DongHail Spectrin: Structure, function and disease// Sci China Life Sci December (2013) Vol. 56 No. 12: 1076-1085).The main function of the spectrin matrix (P 2 surface) is to maintain the stability of the cytoskeleton of the membrane and its mechanical properties. The clinical manifestations of the disturbance of the elements of the spectrin matrix are hemolytic anemia, spherocytosis, elliptocytosis (Zhang Ruil, Zhang ChenYul, Zhao Qi & Li DongHail Spectrin: Structure, function and disease // Sci China Life Sci December (2013) Vol. 56 No. 12: 1076 -1085).
Показано, что при длительном хранении донорской крови в специальных растворах при температуре 4°С в МЭ в первые две недели хранения происходит кластеризация белков band 3 в большие агрегаты (поверхность П3), что является одной из причин везикуляции (Brad S. Karon, James D. Hoyer, James R. Stubbs, and David D. Thomas. Changes in Band 3 oligomeric state precede cell membrane phospholipid loss during blood bank storage of red blood cells// Transfusion. 2009 July; 49(7): 1435-144).It was shown that during prolonged storage of donated blood in special solutions at 4 ° C in ME during the first two weeks of storage,
Необходимость комплексного определения состояния выше указанных мембранных элементов вызвано тем, что способность эритроцитов к деформации в сосудах диаметром меньшим размеров клеток определяется состоянием всех трех указанных структур одновременно. Кроме этого, характеристики этих элементов структурно и функционально взаимосвязаны. Измерение их по отдельности в разные моменты времени приведет к искажению причинно-следственных связей при анализе процессов в клетке и в мембране.The need for a comprehensive determination of the state of the above mentioned membrane elements is due to the fact that the ability of red blood cells to deform in vessels with a diameter smaller than the cell size is determined by the state of all three of these structures at the same time. In addition, the characteristics of these elements are structurally and functionally interconnected. Measuring them separately at different points in time will lead to a distortion of cause-effect relationships in the analysis of processes in the cell and in the membrane.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
Предварительно измеряют соответствующие контрольные (нормальные) величины параметров для МЭ 30 здоровых доноров.Preliminary measure the corresponding control (normal) parameter values for
Для приближения к нативным условиям сохраняют морфологию эритроцитов при приготовлении мазков монослоя клеток с помощью специального устройства V-sample (Австрия). С помощью АСМ сканирования получают сначала изображения клеток в поле 50÷100 мкм. Затем получают АСМ изображение отдельной выбранной клетки. Получают АСМ изображение поверхности П участка мембраны (1,2÷1,6)×(1,2÷1,6) мкм2. Выбор размеров площади поверхности мембраны определяется размерами изучаемых элементов поверхности - элементы фликкеринга, спектриновый матрикс и мембранные кластеры.To approach the native conditions, the morphology of erythrocytes is preserved when preparing smears of a monolayer of cells using a special V-sample device (Austria). Using AFM scanning, cell images are first obtained in a field of 50–100 μm. Then, an AFM image of the selected individual cell is obtained. An AFM image of the surface P of the membrane section is obtained (1.2 ÷ 1.6) × (1.2 ÷ 1.6) μm 2 . The choice of the size of the membrane surface area is determined by the sizes of the studied surface elements - flickering elements, spectrin matrix and membrane clusters.
С помощью программного обеспечения АСМ осуществляют разложение полученного изображения поверхности П на три изображения поверхностей трех пространственных масштабов П1, П2, П3, причем П-П1+П2+П3. Эти три изображения соответствуют параметрам физиологических структур МЭ: масштаб П1 для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L1=400÷900 нм соответствует параметрам фликкеринга МЭ, масштаб П2, для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L2=50÷200 нм соответствует параметрам спектринового матрикса МЭ, масштаб П3 для которого типовой пространственный период структур данной поверхности L3=5÷40 нм соответствует параметрам белковых кластеров МЭ.Using the AFM software, the obtained image of the surface P is decomposed into three surface images of three spatial scales P 1 , P 2 , P 3 , and P-P 1 + P 2 + P 3 . These three images correspond to the parameters of the physiological structures of the ME: the scale P 1 for which the typical spatial period of the structures of a given surface L 1 = 400 ÷ 900 nm corresponds to the flickering parameters of the ME, the scale P 2 for which the typical spatial period of the structures of this surface L 2 = 50 ÷ 200 nm corresponds to the parameters of the ME spectrin matrix, P 3 scale for which the typical spatial period of structures of a given surface L 3 = 5–40 nm corresponds to the parameters of ME protein clusters.
Для получения изображения поверхности первого масштаба П1 изображение исходной поверхности П сглаживают фильтром с помощью программного обеспечения АСМ (маска 9 точек), затем из изображения П вычитают изображение П1 и получают изображение П2+П3, его сглаживают фильтром (маска 3 точки) и получают изображение второго масштаба П1, из изображения П2+П3 вычитают изображение П2 и получают изображение поверхности третьего масштаба П3.To obtain an image of a surface of the first scale P 1, the image of the initial surface P is smoothed by a filter using AFM software (a mask of 9 points), then the image P 1 is subtracted from the image P and an image P 2 + P 3 is obtained, it is smoothed by a filter (3 points mask) and get the image of the second scale P 1 , from the image P 2 + P 3 subtract the image P 2 and get the image of the surface of the third scale P 3 .
Для каждого из трех изображений поверхностей измеряют высоты h1, h2, h3 выявленных топологических наноструктур. Затем вычисляют средние значения h1cp, h2cp, h3cp и средние квадратичные отклонения σ1, σ2, σ3 этих высот.For each of the three surface images, the heights h 1 , h 2 , h 3 of the identified topological nanostructures are measured. Then calculate the average values of h 1cp , h 2cp , h 3cp and the standard deviations σ 1 , σ 2 , σ 3 of these heights.
Для каждого из трех изображений поверхностей вычисляют вероятность Р1, Р2, Р3 того, что величины высот в исследуемом образце выходят за рамки контрольных значений соответствующих поверхностей первого, второго, третьего масштабов.For each of the three surface images, the probability P 1 , P 2 , P 3 of the fact that the heights in the test sample are beyond the control values of the corresponding surfaces of the first, second, third scales is calculated.
Величина вероятности указывает на факт отклонения характеристик наноповерхности мембраны от нормальных значений и позволяет количественно оценить степень воздействия на исселуемую структуру i:The probability value indicates the fact that the characteristics of the membrane nanosurface deviate from normal values and allows us to quantitatively evaluate the degree of influence on the examined structure i:
• величина Р1 более 30% для поверхности первого масштаба П1 свидетельствует об отклонении амплитуды фликкеринга от нормальных значений, • the value of P 1 more than 30% for the surface of the first scale P 1 indicates the deviation of the flickering amplitude from normal values,
• величина Р2 более 30% для поверхности второго масштаба П2 свидетельствует об отклонении физических характеристик спектринового матрикса от нормальных значений,• the value of P 2 more than 30% for the surface of the second scale P 2 indicates a deviation of the physical characteristics of the spectrin matrix from normal values,
• величина Р3 более 30% для поверхности третьего масштаба П3 свидетельствует о возникновении кластеризации интермембранных белков.• P 3 value of more than 30% for the surface of the third P 3 scale indicates the occurrence of clustering of intermembrane proteins.
При величине Pi более 60% воздействие на структуру i считают сильным, при величине Pi от 30% до 60% воздействие считают средним (умеренным), при величине Pi от 5% до 30% воздействие считают слабым, при величине Pi менее 5% считают, что данный фактор не проявил изменений структуры i. With a P i value of more than 60%, the effect on structure i is considered strong, with a P i value of 30% to 60%, the effect is considered moderate (moderate), with a P i value of 5% to 30%, the effect is considered weak, with a P i value of less 5% believe that this factor did not show structural changes i.
Примеры осуществления изобретенияExamples of carrying out the invention
Измерение высот h1, h2, h3 топологических нанодефектов поверхностей трех масштабов П1, П2, П3 МЭ крови здорового человека (контрольный образец) in vitro.Measurement of heights h 1 , h 2 , h 3 of topological nanodefects of surfaces of three scales P 1 , P 2 , P 3 ME of the blood of a healthy person (control sample) in vitro.
На предметном стекле был приготовлен мазок монослоя клеток из крови здорового донора. Затем полученный мазок был просканирован с помощью АСМ NTEGRA PRIMA (NT-MDT, Зеленоград, РФ). Для сканирования были использованы стандартные кантилеверы NSG01 (5 н/м). Для сканирования были выбраны поля размером 100×100 мкм2 и 10×10 мкм2. Число точек сканирования вдоль одной линии составило 512 и 1024 соответственно.A smear of a monolayer of cells from the blood of a healthy donor was prepared on a glass slide. Then, the obtained smear was scanned using an NTEGRA PRIMA AFM (NT-MDT, Zelenograd, RF). For scanning, standard NSG01 cantilevers (5 n / m) were used. For scanning, fields of 100 × 100 μm 2 and 10 × 10 μm 2 were selected. The number of scan points along one line was 512 and 1024, respectively.
На полученном изображении поверхности клетки была выделен фрагмент площадью 1,2-1,5 × 1,2-1,5 мкм. Эта поверхность была обозначена П. Изображение поверхности П МЭ из крови здорового донора и профиль высот топологии наноповерхности МЭ в заданном сечении, указанном пунктиром, представлены на Фиг. 1.On the obtained image of the cell surface, a fragment with an area of 1.2-1.5 × 1.2-1.5 μm was isolated. This surface was designated P. The image of the surface of the ME from the blood of a healthy donor and the profile of the heights of the topology of the nanosurface of the ME in a given section indicated by a dotted line are shown in FIG. 1.
К изображению поверхности П был применен прием сглаживания с использованием фильтров 9×9 с помощью программного обеспечения АСМ. Таким образом было получено изображение поверхности первого масштаба П1 (представлено на Фиг. 2а). Типовой профиль высот топологии наноповерхности в заданном сечении после сглаживания с использованием фильтров 9×9 представлен на Фиг. 2б.The smoothing technique was applied to the image of the surface P using 9 × 9 filters using AFM software. Thus, a surface image of the first scale P 1 was obtained (shown in Fig. 2a). A typical profile of the heights of the topology of a nanosurface in a given cross section after smoothing using 9 × 9 filters is shown in FIG. 2b.
Характерными параметрами профиля топологической структуры наноповерхности эритроцита первого масштаба П1 являются высота h1 и пространственный период L1. Величина L1 - это типовой пространственный период структур да данной поверхности первого масштаба, то есть расстояние между впадинами или пиками на профиле (Фиг. 2б.) Эмпирическим путем установлено, что в норме эти величины составляют h1норм=4,5±1 нм и L1норм=700±150 нм.The characteristic parameters of the profile of the topological structure of the erythrocyte nanosurface of the first scale P 1 are the height h 1 and the spatial period L 1 . The value of L 1 is the typical spatial period of the structures and the given surface of the first scale, that is, the distance between the troughs or peaks on the profile (Fig. 2b.) Empirically it has been established that normally these values are h 1norm = 4.5 ± 1 nm and L 1norm = 700 ± 150 nm.
Далее из изображения исходной поверхности П вычитали изображение поверхности П1 и получали поверхность П2+П3. К полученному изображению П2+П3 был применен прием сглаживания с использованием фильтров 3×3 с помощью программного обеспечения АСМ. Таким образом было получено изображение поверхности второго масштаба П2 (представлено на Фиг. 3а). Типовой профиль высот топологии наноповерхности второго масштаба П2 в заданном сечении представлен на Фиг. 3б.Next, the image of the surface P 1 was subtracted from the image of the initial surface P and the surface P 2 + P 3 was obtained. Smoothing technique using 3 × 3 filters using AFM software was applied to the obtained image P 2 + P 3 . Thus, a surface image of the second scale P 2 was obtained (shown in Fig. 3a). A typical profile of the heights of the topology of the nanosurface of the second scale P 2 in a given section is shown in FIG. 3b.
Характерными параметрами профиля топологической структуры наноповерхности эритроцита второго масштаба П2 являются высота h2 и пространственный период L2. Эмпирическим путем установлено, что в норме эти величины составляют h2норм=1,6±0,7 нм и L2норм=120±80 нм.The characteristic parameters of the profile of the topological structure of the erythrocyte nanosurface of the second scale P 2 are the height h 2 and the spatial period L 2 . Empirically, it was found that normally these values are h 2norm = 1.6 ± 0.7 nm and L2norm = 120 ± 80 nm.
Далее из полученного ранее изображения П2+П3 вычитали изображение поверхности П2. В результате было получено изображение поверхности третьего масштаба П3 (представлено на Фиг. 4а) и соответствующий профиль высот (представлен на Фиг. 4б).Next, from the previously obtained image P 2 + P 3 subtracted the image of the surface P 2 . As a result, a surface image of the third scale P 3 (shown in Fig. 4a) and the corresponding height profile (presented in Fig. 4b) were obtained.
Характерными параметрами профиля топологической структуры наноповерхности эритроцита третьего масштаба П3 являются высота h3 и пространственный период L3. Эмпирическим путем установлено, что в норме эти величины составляют h3норм=0,7±0,2 нм и L3норм 40±10 нм.The characteristic parameters of the profile of the topological structure of the erythrocyte nanosurface of the third scale P 3 are the height h 3 and the spatial period L 3 . Empirically, it was found that normally these values are h 3norm = 0.7 ± 0.2 nm and L 3norm 40 ± 10 nm.
2. Изменение наноповерхности МЭ при добавлении фиксатора - глютарового альдегида в кровь (in vitro)2. Change in the ME nanosurface with the addition of a fixative - glutaraldehyde in the blood (in vitro)
Глютаровый альдегид широко используется для фиксации клеток в процессе их исследования. Однако действие фиксатора приводит к изменениям структуры мембран клеток. Это необходимо принимать во внимание при изучении топологической наноструктуры мембран клеток крови после воздействия на кровь различных физико-химических факторов.Glutaraldehyde is widely used to fix cells during their research. However, the action of the fixative leads to changes in the structure of cell membranes. This must be taken into account when studying the topological nanostructure of blood cell membranes after exposure to blood of various physicochemical factors.
Для исследования действия глютарового альдегида на наноструктуру поверхности мембран эритроцитов авторами были проведены модельные опыты, в которых к 50 мкл эритроцитов, выделенных из крови донора, добавляли 50 мкл 1% глютарового альдегида. Через 10 мин инкубации эритроциты трижды промывали в 0,9% растворе NaCl с помощью центрифуги (RPM 3000 мин-1) и формировали монослой клеток. Получали с помощью АСМ изображения наноповерхности МЭ в трех масштабах и измеряли соответствующие высоты h1глют, h2глют, h3глют. В таблице 1 представлены значения параметров hi=hiсредн±σi для высот поверхностей разного масштаба Пi в контрольном образце и в исследуемом после действия глютарового альдегида, i=1, 2, 3. Представленные результаты свидетельствуют о сильном воздействии глютарового альдегида на амплитуду фликкеринга, а также на кластеры белков. Практически отсутствует воздействие глютарового альдегида на спектриновый матрикс.To study the effect of glutaraldehyde on the nanostructure of the surface of erythrocyte membranes, the authors conducted model experiments in which 50 μl of 1% glutaraldehyde was added to 50 μl of red blood cells extracted from donor blood. After 10 min of incubation, the red blood cells were washed three times in a 0.9% NaCl solution using a centrifuge (RPM 3000 min -1 ) and a cell monolayer was formed. AFM images of the nanosurface of the ME were obtained on three scales and the corresponding heights h 1glut , h 2glut , and h 3glut were measured . Table 1 shows the values of the parameters h i = h i averag ± σ i for the heights of surfaces of different scales П i in the control sample and in the sample after the action of glutaraldehyde, i = 1, 2, 3. The presented results indicate a strong effect of glutaraldehyde on the amplitude flickering, as well as on protein clusters. There is practically no effect of glutaraldehyde on the spectrin matrix.
На Фиг. 5 представлены функции распределения высот топологических наноструктур h1 на поверхности первого порядка П1 для мембран контрольных эритроцитов и после действия глютарового альдегида. Доля h1, выходящих из рамок контрольных значений для поверхности первого масштаба П1, составляет в данном случае 80%.In FIG. Figure 5 shows the distribution functions of the heights of topological nanostructures h 1 on the first-order surface P 1 for membranes of control red blood cells and after the action of glutaraldehyde. The proportion of h 1 coming out of the control values for the surface of the first scale P 1 , in this case is 80%.
На Фиг. 6 представлены функции распределения высот топологических наноструктур h2 на поверхности второго порядка П2 для мембран контрольных эритроцитов до и после действия глютарового альдегида. Доля h2, выходящих из рамок контрольных значений для поверхности второго масштаба, составляет в данном случае около 0%.In FIG. Figure 6 shows the distribution functions of the heights of topological nanostructures h 2 on the second-order surface P 2 for the membranes of control erythrocytes before and after the action of glutaraldehyde. The proportion of h 2 that leaves the control values for the surface of the second scale is in this case about 0%.
На Фиг. 7 представлены функции распределения высот топологических наноструктур h3 на поверхности третьего порядка П3 для мембран контрольных эритроцитов до и после действия глютарового альдегида. Доля h3, выходящих из рамок контрольных значений для поверхности третьего масштаба, составляет в данном случае 100%.In FIG. Figure 7 shows the distribution functions of the heights of topological nanostructures h 3 on the third-order surface P 3 for membranes of control erythrocytes before and after the action of glutaraldehyde. The proportion of h 3 coming out of the control values for the surface of the third scale is in this case 100%.
3. Изменение наноповерхности МЭ при действии гемина на эритроциты in vitro3. Change in the nanosurface of ME under the action of hemin on red blood cells in vitro
Гемин - вещество, образующееся при действии соляной кислоты на гемоглобин. При язве желудка кровь может попасть в желудочный сок в результате кровотечения. Под действием соляной кислоты желудочного сока гемоглобин крови постепенно превращается в солянокислый гемин. При окислении гемоглобина двухвалентное железо превращается в трехвалентное. Наличие гемина в крови может вызвать патологические эффекты.Gemin is a substance formed by the action of hydrochloric acid on hemoglobin. With a stomach ulcer, blood can enter the gastric juice as a result of bleeding. Under the influence of hydrochloric acid of gastric juice, hemoglobin of blood gradually turns into hydrochloric hemin. When hemoglobin is oxidized, ferrous iron is converted to ferric. The presence of hemin in the blood can cause pathological effects.
Авторами были проведены модельные опыты, в которых в кровь in vitro добавляли раствор гемина. Для приготовления раствора 50 мг порошка гемина растворяли в 1 мл 0,5 М NaOH в дистиллированной воде. Затем к 1 части этого базового раствора добавляли 5 мл дистиллированной воды. 35 мкл этого раствора гемина добавляли в микроветты, содержащие цельную кровь 140 мкл. Итоговая концентрация гемина в крови составила 2 мМ. Время инкубации гемина в крови составила 5 мин.The authors conducted model experiments in which hemin solution was added to the blood in vitro. To prepare a solution, 50 mg of hemin powder was dissolved in 1 ml of 0.5 M NaOH in distilled water. Then, 5 ml of distilled water was added to 1 part of this stock solution. 35 μl of this hemin solution was added to microvets containing 140 μl whole blood. The final concentration of hemin in the blood was 2 mm. The incubation time of hemin in the blood was 5 minutes.
На поверхности МЭ наблюдалось образование доменов с зернистой структурой (представлено на Фиг. 8 а). Профиль поверхности в заданном сечении представлен на рис. 8б.On the ME surface, the formation of domains with a granular structure was observed (shown in Fig. 8 a). The surface profile in a given section is shown in Fig. 8b.
Для количественной оценки размеров топологических нанодефектов исходную поверхность П разложили на поверхности трех масштабов (представлено на Фиг. 9а, 10а, 11а). Для АСМ изображений каждой поверхности приведены профили высот наноповерхности в заданных сечениях, указанных пунктирными линиями (Фиг. 9б, 10б, 11б).To quantify the size of topological nanodefects, the initial surface P was decomposed on a surface of three scales (shown in Figs. 9a, 10a, 11a). For AFM images of each surface, the profiles of the heights of the nanosurface in given cross sections indicated by dashed lines are shown (Fig. 9b, 10b, 11b).
В таблице 2. приведены средние значения и стандартные отклонения параметров hi для мембран клеток в контрольном образце и в исследуемом после действия гемина.Table 2. shows the average values and standard deviations of the parameters h i for the cell membranes in the control sample and in the test after the action of hemin.
Наблюдалось существенное изменение средней высоты h1 наноповерхности первого масштаба. Представленные результаты свидетельствуют о сильном воздействии гемина на амплитуду фликкеринга мембраны.A significant change in the average height h 1 of the nanosurface of the first scale was observed. The presented results indicate a strong effect of hemin on the amplitude of flickering of the membrane.
Существенно изменилась средняя высота наноповерхности второго масштаба. Это свидетельствуем о сильном нарушении спектринового матрикса при воздействии гемина на кровь. При этом высота наноповрехности третьего масштаба практически не изменяется. Это свидетельствует о том, что практически отсутствует воздействие гемина на кластеризацию белков.The average height of the nanosurface of the second scale has substantially changed. This indicates a strong violation of the spectrin matrix when hemin acts on the blood. In this case, the height of the nanosurface of the third scale is practically unchanged. This indicates that there is practically no effect of hemin on protein clustering.
Таким образом, авторами заявляемого способа определен универсальный поддающийся одновременному измерению комплекс параметров, указывающий на наличие заболевания, физиологического изменения, реакции на лечение, реакции на физико-химическое воздействие (например, на ионизирующее излучение).Thus, the authors of the proposed method identified a universal measurable set of parameters at the same time, indicating the presence of a disease, physiological change, reaction to treatment, reaction to physico-chemical effects (for example, to ionizing radiation).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136334A RU2722898C1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136334A RU2722898C1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2722898C1 true RU2722898C1 (en) | 2020-06-04 |
Family
ID=71067860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136334A RU2722898C1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2722898C1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5383354A (en) * | 1993-12-27 | 1995-01-24 | Motorola, Inc. | Process for measuring surface topography using atomic force microscopy |
RU2187112C1 (en) * | 2001-06-25 | 2002-08-10 | Красноярская государственная медицинская академия | Method for integral evaluating the power of protein-lipid interaction in erythrocytic membrane |
-
2019
- 2019-11-12 RU RU2019136334A patent/RU2722898C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5383354A (en) * | 1993-12-27 | 1995-01-24 | Motorola, Inc. | Process for measuring surface topography using atomic force microscopy |
RU2187112C1 (en) * | 2001-06-25 | 2002-08-10 | Красноярская государственная медицинская академия | Method for integral evaluating the power of protein-lipid interaction in erythrocytic membrane |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
KOZLOVA E. et al. Transformation of membrane nanosurface of red blood cells under hemin action, Sci Rep. 2014; 4: 6033. * |
СТАРОДУБЦЕВА М.Н. и др. АСМ-диагностика патологии эритроцитов на основе физико-механического образа клеточной поверхности, Проблемы здоровья и экологии, 2015, 2(44), С.100-104. * |
СТАРОДУБЦЕВА М.Н. и др. АСМ-диагностика патологии эритроцитов на основе физико-механического образа клеточной поверхности, Проблемы здоровья и экологии, 2015, 2(44), С.100-104. KOZLOVA E. et al. Transformation of membrane nanosurface of red blood cells under hemin action, Sci Rep. 2014; 4: 6033. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kozlova et al. | Analysis of nanostructure of red blood cells membranes by space Fourier transform of AFM images | |
Tsai et al. | Real‐Time Noninvasive Monitoring of In Vivo Inflammatory Responses using a pH Ratiometric Fluorescence Imaging Probe | |
Mukherjee et al. | Nanoscale surface characterization of human erythrocytes by atomic force microscopy: a critical review | |
Deryugina et al. | Alterations in the phase portrait and electrophoretic mobility of erythrocytes in various diseases | |
Zhang et al. | Detection of human erythrocytes influenced by iron deficiency anemia and thalassemia using atomic force microscopy | |
Kozlova et al. | Nonlinear biomechanical characteristics of deep deformation of native RBC membranes in normal state and under modifier action | |
Márquez-Islas et al. | Optical device and methodology for optical sensing of hemolysis in hypotonic media | |
Kozlova et al. | Opposite effects of electroporation of red blood cell membranes under the influence of zinc ions. | |
Benga et al. | Comparative cell shape and diffusional water permeability of red blood cells from Indian elephant (Elephas maximus) and Man (Homo sapiens) | |
RU2722898C1 (en) | Method for detecting pathological changes in structural elements of erythrocyte membranes | |
Cluff et al. | Surface‐enhanced Raman spectral biomarkers correlate with ankle brachial index and characterize leg muscle biochemical composition of patients with peripheral arterial disease | |
Bulat et al. | Multimodal detection and analysis of a new type of advanced Heinz body-like aggregate (AHBA) and cytoskeleton deformation in human RBCs | |
JP2023183408A (en) | Quantitative evaluation method of human brain axon density based on magnetic resonance diffusion tensor imaging | |
RU2726208C1 (en) | Method for determining rheological blood properties | |
Yusipovich et al. | Evaluation of erythrocyte shape and status by laser interference microscopy | |
US10724953B2 (en) | Method for evaluating phagocytic capacity and fluorescence measurement method | |
Wu et al. | Label-free in vivo assessment of brain mitochondrial redox states during the development of diabetic cognitive impairment using Raman spectroscopy | |
Sokol et al. | Improving the accuracy of measuring the morphology of red blood cells | |
Lin et al. | An in vivo quantitative Raman-pH sensor of arterial blood based on laser trapping of erythrocytes | |
Skorkina et al. | Measuring of Adhesion Force in the Cell—Cell System Based on Atomic Force Microscopy Technology | |
KR102466497B1 (en) | Method for detecting monosodium urate crystals using refractive index and uses thereof | |
CN114246548B (en) | Device and system for detecting acne inflammation and application thereof | |
Hong et al. | Study of the primo-vascular system and location-dependent oxygen levels for a mouse embryo | |
KR102304520B1 (en) | Method and apparatus for diagnosing of disease caused by protein fibrosis using measurement of protein conductivity | |
Liu | Electrical Impedance Sensing of Erythrocytes and Cytoadhesion |