“Spleen-on-a-Chip”提供了洞察镰状细胞病

每天数十亿红细胞通过脾脏,一个器官,负责过滤掉旧的或损坏的血液细胞。这个任务更加困难当血液细胞畸形,在镰状细胞病的患者,影响全世界数以百万计的人。镰状红细胞可以堵塞脾脏的过滤器,从而导致一个潜在的威胁生命的情况。

麻省理工学院的研究人员,在新加坡南洋理工大学,巴黎巴斯德研究所和其他机构已经设计了一个微流控装置,或“spleen-on-a-chip”模型这一现象,称为急性脾封存,出现。

研究人员发现,低氧水平,更有可能让脾脏的过滤器被堵塞。他们还表明,增加含氧量可以疏通过滤器,这可能有助于解释为什么输血帮助病人患有这种情况。

“如果我们增加氧含量,它将逆转堵塞,“明刀说,首席研究科学家在麻省理工学院材料科学与工程系和该研究的资深作者之一。“这模仿完成当有脾封存危机。医生做的第一件事是输血,在大多数情况下,这让一些救助病人。”

前麻省理工学院工程学院院长,题名为工程的Vannevar Bush名誉教授,和新加坡南洋理工大学的前总统;皮埃尔自助餐,巴斯德研究所的医学主任和巴黎大学教授;和乔治Karniadakis,罗宾逊和巴斯托布朗大学的应用数学教授,也是这项研究的高级作者。麻省理工学院博士后Yuhao羌族是论文的第一作者,这出现在美国国家科学院院刊》上这个星期。

堵塞过滤器

大多数红细胞的寿命约为120天,所以近1%的供应必须每天被移除。在脾内,血液流经组织被称为红髓,其中包含狭窄的通道称为interendothelial缝。

这些裂缝,形成的空间之间的脾脏血管内皮细胞,有最大开放维度显著小于血红细胞。任何红细胞不能通过这些微小的开口,因为他们破坏,加强或畸形,被困,被称为巨噬细胞的免疫细胞。

脾脏的过滤函数模型,研究人员创建了一个微流控装置与两个模块- S芯片,模拟interendothelial缝,和M芯片,模仿巨噬细胞。设备还包括一个气体通道,可以用来控制每个芯片的氧浓度模拟体内环境。

使用这种设备,研究人员试图更好地理解急性脾封存,在大约5%的患者发生镰状细胞疾病,通常在孩子。当这种情况发生时,脾脏肿大,患者变得严重贫血。医生通常与输血治疗,但如果没有帮助,脾脏可能需要手术切除。

使用健康的红细胞和镰状红细胞镰状细胞病的患者,研究人员允许细胞流经他们的设备控制氧含量。

在正常氧条件下(20%氧气)镰状细胞创造了一些堵塞缝,但仍有空间其他血细胞通过。然而,当氧气水平下降到2%,裂缝迅速成为完全阻塞。

当研究人员又增加了氧气水平,堵塞了。这可以部分解释为什么输血,使含氧血液细胞脾,可以帮助患者经历急性脾封存,刀说。

“我们的研究结果提供一个通用的科学框架指导和合理化医生观察。他们还有助于阐明脾如何提供帮助过滤血液细胞的重要功能,”苏雷什说。

研究人员发现,轻度缺氧条件下(5%氧气)会导致一些堵塞但不足以产生固脾危机,这或许可以解释为什么此类危机发生很少,刀说。

慢消化

研究人员然后使用其他设备模块,芯片M,模型会发生什么红细胞遇到巨噬细胞在不同条件下。他们发现,当氧含量低,镰状红细胞被巨噬细胞更有可能被困,摄取。事实上,很多血细胞被巨噬细胞变得不知所措,不能摧毁他们足够快,造成的堵塞缝。

研究人员还发现,僵硬的镰状细胞保留镰状的形状甚至被摄入后,使巨噬细胞更难分解它们。“大约有一半的这些细胞保持镰状很长一段时间,减缓整个消化过程,“刀说。

当氧含量增加,血细胞恢复了正常的形状,甚至细胞摄取。这使得巨噬细胞更容易消化,清除堵塞过滤器。

研究人员目前正在使用spleen-on-a-chip研究药物用于治疗镰状细胞病,如voxelotor和羟基脲,影响细胞行为,他们观察到在这个研究。他们也希望有一天可以使用的设备来帮助医生分析个体患者的血细胞和监测疾病进展如何。

“这种方法有助于设计分析给特定病人的诊断和预后,”巴菲特说,他也是一个练习的临床医生。"这可能给医生一些病人如何做和在什么情况下他们需要做脾切除术或采取其它措施。”

参考:羌族Y et al。微流控研究保留和消除异常的红细胞通过人体脾脏对镰状细胞病的影响。《美国国家科学院刊。2023年。doi:10.1073 / pnas.2217607120

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