微流体系统模拟毛细血管帮助预测血管易堵塞程度

在镰刀形红细胞病发病过程中，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，这也是镰状细胞病最常见的并发症之一。

麻省理工学院的一项新研究揭示了这一症状是如何产生的。这些发现也代表着能够预测这类风险的发生。

研究人员发现，这些疼痛事件最有可能是由一类称为网织红细胞的未成熟红细胞产生的，它们更容易粘在血管壁上。

新加坡南洋理工大学校长，麻省理工学院前工程学院院长，Vannevar Bush工程名誉教授Subra Suresh也是该研究的高级作者，该研究于9月发表在《PNAS》杂志上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Dimitrios Papageorgiou和前博士后Sabia Abidi。

患有镰状细胞病的患者编码血红蛋白的基因中有一个突变，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。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。对于这类疾病，目前通常用阿片类药物或其他药物治疗其导致的血管闭塞性疼痛。

为了探究红细胞如何与血管相互作用以引发血管闭塞性疼痛，研究人员建立了一种专门的微流体系统用于模拟毛细血管，并使得将脱氧血液从毛细血管中带走。这些直径约10-20微米的血管十分容易发生血管闭塞。

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状态下高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。

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在血管上。这些年轻的镰状红细胞刚从骨髓中释放出来，比成熟红细胞的表面积更大，使它们能够产生更多的粘附位点。

研究人员希望设计更完整的血管阻塞模型结合现有模型和有关黏附方面的新发现，预测镰状细胞性贫血症患者血细胞变硬需要多长时间，并非所有镰状细胞病患者都经历过血管闭塞，该并发症的发病率在患者之间可能存在很大差异，麻省理工学院的研究人员希望他们的研究结果可以帮助他们设计一种预测个体患者发生上述症状的风险。

“血细胞黏附确实是一个非常复杂的过程，开发基于微流体实验新模型，模拟低氧条件下镰状细胞的定量黏附实验，这是一项独一无二的开创性实验，”布朗大学应用数学教授、文章通讯作者George Karniadakis说道。