镰状细胞病最常见的并发症之一发生在变形的红细胞聚集在一起，阻塞微小血管并在受影响的身体部位引起剧烈疼痛和肿胀。
麻省理工学院的一项新研究揭示了这些被称为血管闭塞性疼痛危象的事件是如何产生的。这些发现也代表了能够预测何时可能发生此类危机的一步。
“这些痛苦的危机非常难以预测。从某种意义上说，我们理解它们为什么会发生，但我们还没有一种好的方法来预测它们，“麻省理工学院材料科学与工程系的主要研究科学家，该研究的高级作者之一Ming Dao说。 。
研究人员发现，这些疼痛事件最有可能是由未成熟的红细胞产生的，这种红细胞称为网状细胞，更容易粘在血管壁上 - 正如“美国国家科学院院刊”上发表的那样。
模拟血流
镰状细胞病患者在编码血红蛋白的基因中有一个突变，血红蛋白是一种允许红细胞携带氧气的蛋白质。这会产生畸形的红细胞：细胞变成镰刀状，而不是特征性的圆盘状，特别是在低氧条件下。患者经常患有贫血症，因为异常的血红蛋白不能携带足够的氧气，以及通常用阿片类药物或其他药物治疗的血管闭塞性疼痛危象。
为了探究红细胞如何与血管相互作用以引发血管闭塞性危象，研究人员建立了一种专门的微流体系统，模拟毛细血管后血管，将脱氧血液从毛细血管中带走。这些直径约10-20微米的血管最容易发生血管闭塞。
微流体系统旨在让研究人员控制氧气水平。他们发现，当氧气非常低或处于缺氧状态时，与毛细血管后血管相似，镰状红细胞粘附在血管壁上的可能性比正常氧气水平高2到4倍。
当氧气含量低时，镰状细胞内的血红蛋白形成僵硬的纤维，生长并向外推动细胞膜。这些纤维还有助于细胞更牢固地粘附在血管内壁上。
“在缺氧情况下，为什么有更多的附着力，人们几乎没有理解，”Suresh说。“这项研究的实验提供了一些关于增加粘连的过程和机制的关键见解。”
研究人员还发现，在患有镰状细胞病的患者中，称为网织红细胞的未成熟红细胞最有可能粘附于血管。这些年轻的镰状红细胞，刚从骨髓中释放出来，比成熟的红细胞携带更多的细胞膜表面积，使它们能够产生更多的粘附位点。
Papageorgiou说：“我们观察到镰状血红蛋白纤维的生长在几分钟内拉伸网状细胞。”“看起来他们正试图抓住更多的表面，并更强烈地坚持。”
患者的预测
研究人员现在希望设计一个更完整的血管闭塞模型，将他们的新发现与粘连与他们测量的先前工作结合起来镰状细胞患者的血细胞需要多长时间才能变硬，使它们更容易阻塞微血管中的血液流动。并非所有患有镰状细胞病的患者都会出现血管闭塞，并且患者之间的发作频率差异很大。麻省理工学院的研究人员希望他们的发现可以帮助他们设计一种方法来预测个体患者的这些危机。
“血细胞粘附确实是一个非常复杂的过程，我们不得不开发基于这种微流体实验的新模型。缺氧条件下镰状红细胞的这些粘附实验和相应的模拟是定量和独特的，“布朗大学应用数学教授，该研究的高级作者George Karniadakis说。
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