Дефицит ферментов, таких как G6PD и пируваткиназа, характеризуется приступами гемолиза во время некоторой формы стресса. Дефицит G6PD является наиболее распространенной энзимопатией и присутствует у 13 процентов чернокожих мужчин, 2 процентов чернокожих женщин и у некоторых детей средиземноморского и юго-восточного азиатского происхождения.22 В случае дефицита G6PD окислительный стресс может вызвать гемолитическую анемию. это может быть драматичным. Клинически это проявляется желтухой, а также другими признаками и симптомами низкого уровня гемоглобина.Пониженный уровень G6PD подтвердит диагноз, но может быть нормальным при остром гемолизе. В этом случае тест следует повторить через несколько месяцев после разрешения эпизода. В настоящее время большинство больниц тестируют на G6PD и пируваткиназу в рамках скрининга новорожденных перед выпиской из больницы.

МАКРОЦИТИЧЕСКИЕ АНЕМИИ

Макроцитарные анемии у детей относительно редки, но обычно вызваны дефицитом витамина B ₁₂ и фолиевой кислоты. Другие возможные причины включают хроническое заболевание печени, гипотиреоз и миелодиспластические расстройства.

Дефицит фолиевой кислоты обычно является вторичной причиной недостаточного питания. Человеческое и коровье молоко являются достаточными источниками фолиевой кислоты. Этот дефицит лечат парентеральным или пероральным приемом фолиевой кислоты в дозировке от 1 до 3 мг один раз в день.23 Гематологический ответ на добавление фолиевой кислоты можно увидеть в течение 72 часов.

Витамин B ₁₂ Дефицит витамина B в результате недоедания в Соединенных Штатах встречается редко. Врожденная злокачественная анемия возникает из-за неспособности секретировать внутренний фактор желудка.Неврологические симптомы появляются примерно в девяти месячном возрасте в зависимости от запасов витамина B ₁₂ с рождения4. Предпочтительным лечением является прием добавок витамина B ₁₂ на протяжении всей жизни.

Заключительный комментарий

Методы лечения и диагностики анемии у детей были четко определены. Одной из основных областей для улучшения первичной медико-санитарной помощи является предотвращение дефицита железа, поскольку он связан с постоянной задержкой психомоторного развития.Соответствующий скрининг и последующее диагностическое обследование позволят семейному врачу правильно диагностировать большинство случаев анемии у детей. Направление к гематологу всегда уместно в сложных или менее определенных случаях.

% PDF-1.3 % 171 0 объект > эндобдж xref 171 103 0000000016 00000 н. 0000003102 00000 п. 0000003301 00000 н. 0000003337 00000 н. 0000003654 00000 п. 0000003771 00000 н. 0000003913 00000 н. 0000004030 00000 н. 0000004172 00000 н. 0000004290 00000 н. 0000004432 00000 н. 0000004551 00000 н. 0000004693 00000 н. 0000004812 00000 н. 0000004954 00000 н. 0000005073 00000 н. 0000005215 00000 н. 0000005334 00000 п. 0000005476 00000 п. 0000005595 00000 н. 0000005737 00000 н. 0000005856 00000 н. 0000005998 00000 н. 0000006118 00000 п. 0000006260 00000 н. 0000006380 00000 н. 0000006522 00000 н. 0000006789 00000 н. 0000006967 00000 н. 0000011841 00000 п. 0000011891 00000 п. 0000012069 00000 п. 0000017497 00000 п. 0000017547 00000 п. 0000017717 00000 п. 0000019915 00000 п. 0000020822 00000 п. 0000020872 00000 п. 0000021777 00000 п. 0000022304 00000 п. 0000023211 00000 п. 0000024116 00000 п. 0000024294 00000 п. 0000024331 00000 п. 0000028097 00000 п. 0000028147 00000 п. 0000028218 00000 п. 0000029456 00000 п. 0000030748 00000 п. 0000035357 00000 п. 0000035407 00000 п. 0000035577 00000 п. 0000036096 00000 п. 0000037262 00000 п. 0000038167 00000 п. 0000039072 00000 н. 0000039122 00000 п. 0000041838 00000 п. 0000042016 00000 п. 0000042066 00000 п. 0000045988 00000 п. 0000046166 00000 п. 0000047408 00000 п. 0000048792 00000 п. 0000048838 00000 п. 0000050126 00000 п. 0000051029 00000 п. 0000052001 00000 п. 0000052051 00000 п. 0000053480 00000 п. 0000053655 00000 п. 0000055701 00000 п. 0000056741 00000 п. 0000121209 00000 н. 0000121238 00000 н. 0000121288 00000 н. 0000121768 00000 н. 0000121946 00000 н. 0000121996 00000 н. 0000122788 00000 н. 0000122965 00000 н. 0000123037 00000 н. 0000123393 00000 н. 0000123526 00000 н. 0000123657 00000 н. 0000123807 00000 н. 0000123951 00000 н. 0000124120 00000 н. 0000124269 00000 н. 0000124420 00000 н. 0000124602 00000 н. 0000124759 00000 н. 0000124900 00000 н. 0000125046 00000 н. 0000125218 00000 п. 0000125366 00000 н. 0000125519 00000 н. 0000125743 00000 н. 0000125951 00000 н. 0000126203 00000 н. 0000126391 00000 н. 0000126540 00000 н. 0000002356 00000 н. трейлер ] / Назад 248159 >> startxref 0 %% EOF 273 0 объект > поток hb«`f`} A ؀,; 0 H

Объем in vivo и динамика гемоглобина эритроцитов человека

Цитата: Malka R, Delgado FF, Manalis SR, Higgins JM (2014) In Vivo Volume и динамика гемоглобина эритроцитов человека.PLoS Comput Biol 10 (10): e1003839. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003839

Редактор: Дэниел А. Бирд, Мичиганский университет, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 15 мая 2014 г .; Принята к печати: 1 августа 2014 г .; Опубликовано: 9 октября 2014 г.

Авторские права: © 2014 Malka et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Авторы подтверждают, что все данные, лежащие в основе выводов, полностью доступны без ограничений. Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: Эта работа финансировалась по контракту W911NF-09-D-0001 Института совместных биотехнологий с Исследовательским офисом армии США (SRM). Премия директора NIH «Новый новатор» и грант NIH 1DP2DK098087 (JMH). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Типичный эритроцит теряет 30% своего объема и 20% своего внутриклеточного гемоглобина (Hb) в течение своей 100-дневной продолжительности жизни в кровотоке [1] — [6]. Эти физические характеристики контролируют способность эритроцитов выполнять свою основную функцию доставки кислорода к тканям. При установившейся скорости производства и рециркуляции около 2,5 клеток в секунду у взрослого человека эти процессы должны строго регулироваться, но, несмотря на доступность эритроцитов и многолетние исследования [7], механизмы этих явлений потери объема и гемоглобина не ясны [ 8].

Общий анализ крови включает характеристики популяции эритроцитов и используется для диагностики и мониторинга почти всех заболеваний и медицинских состояний. Эти характеристики эритроцитов в значительной степени определяются событиями созревания. Количественная оценка созревания эритроцитов может помочь диагностировать и контролировать многие патологические состояния [9], [10]. Недостаток питания, воспаление и рак часто приводят к изменениям в циркулирующей популяции эритроцитов.

эритроцитов выделяют везикулы по мере их циркуляции, и считается, что этот процесс доминирует над изменениями физических характеристик эритроцитов, происходящими во время созревания (см. E.г., [11] — [14]). Поскольку образование пузырьков невозможно контролировать непосредственно in vivo, необходимы теоретические исследования. Чтобы исследовать роль пузырьков в созревании эритроцитов, мы используем преимущества новых мощных измерений отдельных клеток (см., Например, [15] — [18]). Несмотря на большое количество методов измерения характеристик отдельных клеток эритроцитов, существует не так много теоретических исследований, объединяющих эти данные. Мы разрабатываем модель, сочетающую биофизические соображения с измерениями объема и содержания гемоглобина (как на рисунке 1).Модель предсказывает характеристики сухой массы и плотности эритроцитов (т. Е. Массу и плотность неводного клеточного содержимого), и мы используем измерения этих количеств для проверки моделей и определения физических требований к процессам созревания эритроцитов.

Рис. 1. Одноклеточные измерения объема клеток и массового содержания гемоглобина (Hb) как для общей популяции эритроцитов (синий), так и для некоторых из самых молодых клеток (ретикулоциты, красный цвет).

И объем, и гемоглобин выше в молодых клетках.Измерения проводились на 38 545 клетках здорового человека с использованием автоматического клинического гематологического анализатора Siemens Advia 2120 [30].

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003839.g001

На рисунке 1 показано изменение объема и массы гемоглобина для некоторых из самых молодых клеток (возрастом менее 2 дней), называемых ретикулоцитами, идентифицированных с помощью окрашивания РНК [19 ], и общая популяция эритроцитов от одного здорового человека. В таблице 1 мы суммируем наши оценки объема и потери гемоглобина при переходе от ретикулоцитов к зрелым клеткам.

Сначала мы предлагаем теоретическую основу для исследования влияния пузырьков на биофизические свойства эритроцитов по мере их старения. Чтобы применить теорию, мы оцениваем скорость везикуляции на основе существующих эмпирических данных. Затем мы описываем требования к процессу уменьшения объема, к процессу уменьшения гемоглобина и к процессу уменьшения площади поверхности. Мы показываем, что везикуляция не может учитывать весь объем и потерю гемоглобина эритроцитами, поскольку сумма потерянного объема или массы гемоглобина в везикулах значительно меньше, чем потеря клетками.Мы обнаружили, что везикуляция может объяснить потерю площади поверхности и что потеря площади поверхности должна быть связана с потерей гемоглобина, чтобы объяснить наблюдаемый профиль сухой плотности эритроцитов.

Результаты

Теоретический анализ биофизического эффекта везикуляции на единичный RBC

Здесь мы предлагаем семейство случайных процессов, которые описывают, как биофизические свойства клетки меняются по мере ее старения и высвобождения пузырьков в процессе без утечек, когда предполагается, что вся масса, теряемая клеткой, находится в пузырьках.

Модель описывает, как свойство, например, объем, масса и т. Д., Изменяется, когда количество теряется в одной везикуле. Таким образом, (по возрасту) — это разница между исходным значением и общим количеством, потерянным в пузырьках, (1)

— это пуассоновский процесс с постоянной скоростью, подсчитывающий количество везикул, потерянных с возрастом. Мы предполагаем, что это не зависит от возраста и от того, на что указывает анализ везикул из хранимой крови [20]. Таким образом, для простоты наше первое приближение редукционного члена представляет собой сложный случайный процесс Пуассона [21].Используя эти предположения, мы можем рассчитать ожидание относительно возраста: (2)

Поскольку популяция эритроцитов имеет разный возраст, мы рассматриваем возраст как случайную величину и рассматриваем как условное ожидание при условии, что возраст клетки равен:. Принимая второе математическое ожидание, теперь в отношении возраста, с учетом и предположительно не зависящим от него, мы получаем: (3)

Этот анализ позволяет делать выводы даже на основе грубых измерений, поскольку для расчета разницы требуется только среднее значение исходной и генеральной совокупности.Более подробный анализ и моделирование (с использованием траекторий Пуассона, см., Например, [22]) обсуждаются в материалах и методах. Чтобы применить модель, нам необходимо оценить характеристики везикуляции.

Уменьшение объема за счет везикуляции

В этом разделе мы используем оценочные средние скорости везикуляции (в таблице 2) и эмпирические размеры везикул (см. Материалы и методы), чтобы показать, что большая часть (> 80%) уменьшения объема во время старения клеток не может быть объяснена везикуляцией.Мы моделируем уменьшение объема ячейки с помощью уравнения. (1), заменив на: (6)

— это объем клетки в возрасте, и это объем –-го пузырька (аппроксимируется как шар с радиусом), ведущего, как в формуле. (3), к следующему соотношению между размером везикулы и: (7)

Мы оцениваем по популяции молодых ретикулоцитов (красные точки на рис. 1), предположительно возрастной (используя интенсивность окрашивания ретикулоцитов Advia, мы берем клетки, связанные с высшей третью).Мы оцениваем от общей численности населения РБК. Максимальная оценка составляет (везикулы / клетка / день) и потребует среднего радиуса везикул> 185 нм для учета общего потерянного объема (как указано в Таблице 3). Радиус везикулы вдвое больше, чем при любом среднем измерении везикул (см. Материалы и методы). Сообщенные средние радиусы везикул составляют 53–93 нм, что потребует> 75, что больше, чем самая большая эмпирическая оценка. На рисунке 2 мы можем видеть большую разницу между прогнозами модели (логарифм уравнения(7) синим цветом) и диапазон экспериментальных наблюдений, основанных на измерениях клеток крови у 21 здорового взрослого человека (сплошные линии обозначают средние значения, а соответствующие заштрихованные области обозначают диапазоны). Большая разница между диапазоном наблюдаемых значений и значений, предсказываемых моделью, указывает на то, что везикуляция может объяснить только небольшую часть (<20%) наблюдаемой потери объема (см. Таблицу 3). В материалах и методах мы делаем то же самое, используя независимые данные и геометрическую аргументацию.

Рис. 2. Измерения в сравнении с прогнозируемым изменением объема, массы Hb и площади поверхности из-за образования пузырьков.

(a) Измерения крови человека (n = 21) используются для исследования взаимосвязи между радиусом везикул () и скоростью выделения (), как предсказано моделью потери объема (логарифм уравнения (7), синяя линия (сплошная линия) для среднего значения, заштрихованная область для диапазона) и модели массы Hb (логарифм уравнения (8), черная линия) в сравнении с наблюдаемыми значениями параметров (серая область). Средний возраст эритроцитов был принят равным 50 дням.Прогнозы модели площади (логарифм уравнения (9), пунктирно-красный) получены с использованием данных из таблицы 4. (b) диапазон средней скорости везикуляции (таблица 2) и (c) средний размер пузырьков (см. Материалы и методы). для подробностей.)

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003839.g002

Снижение массы гемоглобина за счет везикуляции

Теперь мы используем уравнение. (1) для описания уменьшения массы Hb. Масса гемоглобина в возрастной клетке () — это разница между исходной массой гемоглобина () и общей массой, потерянной в пузырьках (масса гемоглобина в одной пузырьке).Связь между потерянной массой и параметрами везикуляции, как в уравнении. (3) определяется выражением (8) где — концентрация Hb, [Hb] в везикуле. Комбинируя измерения клеточной массы гемоглобина в крови (как показано на рисунке 1) с уравнением (8), мы получаем предсказанное соотношение между размером пузырьков и размером везикул на рисунке 2 (черная линия для среднего прогноза). Модель везикуляции может объяснить только общую потерю гемоглобина и самое большее при крайних допущениях (см. Таблицу 3). Таким образом, мы пришли к выводу, что в созревании эритроцитов должны участвовать другие процессы, кроме пузырьков.

В нашей модели масса гемоглобина в везикулах пропорциональна средней концентрации гемоглобина в шедших клетках (30–35 г / дл). Если бы везикула [Hb] была по крайней мере в пять раз больше, в среднем, везикуляция могла бы объяснить общую потерю Hb, но такая концентрация Hb физически невозможна и также потребовала бы неизвестного процесса для упаковки Hb в везикулы. С другой стороны, измерения могут недооценивать фракцию мелких везикул, но мы покажем позже, что увеличенная фракция мелких везикул несовместима с измерениями сухой массы, предполагая, что дополнительный механизм действительно вовлечен в снижение Hb.

Уменьшение площади поверхности за счет образования пузырьков

Эволюция площади поверхности и соотношение между потерянной площадью и параметрами пузырьков, как в формуле. (3) дается формулой (9)

— площадь поверхности мембраны везикулы сферической формы. Мы используем значения из таблицы 4, чтобы оценить потерю площади и уравнение. (9) для прогнозов на рисунке 2 (пунктирно-красная линия). Мы обнаружили, что в случае потери площади поверхности, везикуляция сама по себе является достаточным механизмом для потери площади поверхности, учитывая ограничения на размер везикул (средний радиус 53-93 нм) и (4-13 везикул / день).

Уменьшение сухой массы за счет образования пузырьков

Мы можем отделить динамику массы гемоглобина от динамики объема, измеряя сухую массу клеток (безводную массу) и сухую плотность клеток (плотность неводных компонентов). Теперь мы интегрируем модели уменьшения Hb и уменьшения площади поверхности (уравнение (8) и уравнение (9)), в результате чего получаем уравнение. (15) изучить изменения сухой массы и плотности клеток в процессе созревания. Масса гемоглобина в клетке оценивается примерно в 95–97% от ее сухой массы [27].Мы используем недавно доступные измерения сухой массы одноклеточных и сухой плотности (называемые SMR) [16]. На рисунке 3 показаны сухая масса и плотность клеток (фиолетовые точки) для популяции эритроцитов, полученные с помощью SMR. Плотность в сухом состоянии очень мало изменяется с сухой массой, несмотря на большое изменение сухой массы в течение срока службы элемента (коэффициент вариации сухой массы составляет 16,9% по сравнению с 0,3% для сухой плотности).

Рис. 3. Начальные значения клеточной сухой массы и плотности (красные точки) соответствуют среднему значению верхних 20% значений сухой массы, измеренным с помощью SMR (фиолетовые точки).

Сухая масса и плотность ячеек изменяются в соответствии с моделями 1 и 2, описанными в основном тексте. Зеленая линия представляет собой подробный путь к примерной ячейке, другие пути выбираются случайным образом (синие точки), чтобы соответствовать размеру выборки измеренных данных SMR. ( a ) Везикула [Hb] идентична везикуле отщепляющейся клетки, и эта модель требует в 10 раз больше пузырьков на клетку, чем эмпирические оценки. ( b ) Потерянная масса гемоглобина делится между фиксированным количеством пузырьков (N = 550) для каждой клетки, и эта модель затем требует недопустимой везикулы [Hb] 260 г / дл.( Вставка ) Плотность в сухом состоянии определяется отношением массы гемоглобина к мембране. На диаграмме показано ожидаемое изменение траектории клетки при увеличении соотношения, что произойдет, когда скорость везикуляции увеличивается, в то время как общая потеря массы Hb остается постоянной, оставляя зрелую клетку с меньшим количеством мембран.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003839.g003

Мы предполагаем следующее: I. Сухая масса эритроцитов состоит из мембраны и гемоглобина. II. Hb и плотность мембраны и постоянны в течение жизни клетки, и (см. Таблицу 5).III. Масса и объем мембраны линейно связаны с площадью поверхности мембраны, см. Уравнение. (14). Переписывая уравнение (8), используя количество везикул: (10) показывает, что масса потерянного Hb определяется количеством везикул, их концентрацией Hb и их объемом. Подробности моделирования приведены в материалах и методах. Вкратце, мы моделируем эволюцию плотности сухой массы клетки, используя уравнение. (15), данные Advia (см. Рис. 1) и случайную выборку размеров пузырьков (см. «Материалы и методы») при двух наборах допущений.

Модель 1 : Зафиксируйте массу гемоглобина в везикуле, установив значение гемоглобина [Hb] везикулы, равное массе отторгающей клетки.

Модель 2 : зафиксируйте количество пузырьков на самом высоком уровне в соответствии с эмпирическими данными ().

Мы сравниваем результаты моделирования с измерениями массовой плотности сухого вещества SMR. Рисунок 3a показывает, что когда молодые клетки (красные точки) развиваются в соответствии с моделью 1, их сухая плотность увеличивается (см. Синие точки), что несовместимо с экспериментальным наблюдением (фиолетовые точки), и определяет N (), несовместимое с эмпирическими оценками () .Таким образом, мы исключаем возможность недооценки количества мелких пузырьков. Когда молодые клетки развиваются в соответствии с моделью 2 (рис. 3b), тенденция их плотности в сухом состоянии соответствует экспериментальным данным, демонстрируя, что скорость потери гемоглобина соответствует скорости потери мембраны во время старения. Однако эта модель требует, чтобы содержание Hb в пузырьках было физически нереалистичным, исходя из значений в Таблице 5 и [26]. Согласованность модели с данными подразумевает, что некоторая часть гемоглобина теряется по механизму, отличному от везикуляции, и этот механизм синхронизируется с везикуляцией.Одним из механизмов, который может вызвать такую ​​синхронизацию между потерей поверхности и потерей гемоглобина, является протекающая везикуляция, при которой часть гемоглобина теряется в окружающую среду в процессе высвобождения везикул.

Обсуждение

Мы установили, что хотя везикуляция сама по себе может объяснить наблюдаемую потерю мембраны во время созревания эритроцитов, она не может объяснить потерю всего гемоглобина или объема. Необходим дополнительный процесс для объяснения оставшихся 60–90 объемов и снижения гемоглобина, происходящих во время созревания эритроцитов.

Плотность в сухом состоянии определяется соотношением массы Hb и площади поверхности клеточной мембраны. Поскольку мы видим очень небольшие изменения в сухой плотности клеток, несмотря на большие изменения в сухой массе, мы заключаем, что изменения массы Hb должны быть связаны с изменениями площади поверхности клеточной мембраны. Мы предполагаем, что неизвестные процессы, ответственные за уменьшение массы и объема до 90% Hb, поэтому физически связаны с изменениями площади поверхности на основе везикуляции. Возможно, что неизвестные процессы включают протекающую везикуляцию, внутриклеточную деградацию и экскрецию и / или взаимодействия с лейкоцитами или другими клетками.Индексы эритроцитов используются в клинике для мониторинга и диагностики широкого спектра состояний. Наша работа помогает сфокусировать будущее исследование молекулярных механизмов созревания эритроцитов, характеристика которых может помочь в раннем выявлении клинических состояний, при которых изменен паттерн созревания.

Материалы и методы

Оценка скорости выведения пузырьков

Мы оцениваем скорость клиренса пузырьков на основании данных, представленных в [26], где исследования мечения пузырьков были выполнены на крысах.Эти данные эквивалентны траектории системы в формуле. (4) с, что позволяет нам получить физиологическую оценку. Сообщалось, что в этих экспериментах везикулы эритроцитов были значительно обогащены по сравнению с везикулами тромбоцитов (16,7 ± 1). Таким образом, данные фракции везикул, представленные на рисунке 4 (синие точки), представляют собой сумму везикул эритроцитов () с некоторой небольшой начальной фракцией везикул тромбоцитов (). Результаты экспериментов описывают общую концентрацию везикул с течением времени:. Мы предполагаем здесь линейную модель ODE для очистки пузырьков без взаимодействия, а именно, принимая уравнение.(4) дважды, заменяя и с и, чтобы сформировать модель зазора для тромбоцитов. Сумма решений этих двух моделей дает общую концентрацию везикул с течением времени

Данные, представленные в [26], представляют собой оставшуюся часть пузырьков в кровотоке, а не абсолютное количество. Таким образом, мы выводим параметр зазора из оставшейся фракции, где. Сообщаемая чистота везикул, полученных из эритроцитов, по сравнению с общими везикулами составляет () и аналогично для везикул, полученных из тромбоцитов.Таким образом, (11) и у нас есть два параметра для оценки, и. Результат подбора этих двух параметров показан на рисунке 4 (красная / пунктирная кривая). Игнорируя заявленную чистоту, мы подобрали 3 параметра, используя, (12), и улучшили соответствие, как и ожидалось (см. Черную / сплошную кривую на рисунке 4). Подбираемое значение поднимает гипотезу о том, что описанный протокол приводит к 80% обогащению везикул эритроцитов.

Примечание по моделированию: в линейной модели разные начальные нагрузки ведут себя одинаково. Текущие данные не позволяют нам исследовать этот вопрос.Будущие исследования по маркировке везикул должны включать различные дозы везикул, чтобы проверить, является ли ответ чувствительным к начальной нагрузке или нет.

Геометрические ограничения на уменьшение объема

Здесь мы утверждаем, что геометрически невозможно объяснить потерю объема только везикуляцией, подтверждая выводы, полученные в основном тексте с использованием нашей теории случайных процессов, с независимыми данными. Предыдущие измерения [3], сравнивающие молодые эритроциты с общей популяцией, показали, что процентное изменение площади аналогично процентному изменению объема.Формулируя математически, (13) где и — общая потерянная поверхность и общий объем. Используя эмпирические значения из таблицы 4, равенство в (13) выполняется с ошибкой менее 1%. Если везикуляция ответственна за потерю всего объема и площади поверхности, тогда и, где N — общее количество везикул (предполагается, что они имеют фиксированный размер). Вышеупомянутое соотношение требует, чтобы отношение поверхности к объему оставалось постоянным в течение всего срока службы эритроцитов (как в таблице I из [3]). Однако это соотношение подразумевает, что отношение поверхности к объему клетки (в исходном состоянии) идентично таковому у везикулы ().Учитывая ячейку с объемом V и площадью поверхности S, мы определяем как решение. Из изопериметрического неравенства в [28] мы знаем, что для заданного объема минимальная ограничивающая площадь поверхности — это сфера. Следовательно, в общем случае для данного объема (с равенством для сферы). Для пузырька разумно принять сферическую форму, так как. Например, если, то. Оценки для эритроцитов примерно на порядок меньше и, следовательно, несовместимы с везикуляцией как единственным механизмом потери объема.

Оценка размера пузырьков

Здесь мы сообщаем о результатах других исследований относительно размеров пузырьков, которые вместе со скоростью пузырьков завершают текущую характеристику процесса пузырьков, необходимую для применения теории в основном тексте. Мы воспроизводим распределение везикул по размерам из [25] рис. 1D (называемое АСМ) и распределение везикул из крови, хранящейся в условиях банка крови [20] (называемое ЯМР). Обратите внимание, что здесь размер — это радиус (для согласования с математическим анализом), а не диаметр, как это чаще всего используется в литературе, особенно в [20], [25].Везикулы в [25] были индуцированы с использованием Ca ⁺⁺ / ионофора A23187 (Sigma, St Louis, MO). Везикулы меньшего размера называются «нановезикулами», а более крупные — «микровезикулами». Мы используем их подсчеты и объединяем два типа, чтобы сформировать функцию плотности вероятности размера везикул, pdf (рис. 5, слева, синяя линия) и кумулятивная функция распределения, cdf, (рис. 5, справа, синяя линия). AFM cdf показывает, что (для ЯМР это), который является средним размером везикул, который мы использовали в некоторых моделированиях (он выше 95% ДИ среднего значения даже для данных ЯМР).Даже если размер везикул зависит от возраста клеток, мы используем реалистичный размер выборки или размер везикул, превышающий средний, и поэтому мы ожидаем, что простая возрастная зависимость не позволит объяснить результаты, основанные только на везикуляции. Обратите внимание, что небольшое количество очень больших везикул в течение жизни эритроцитов с большим объемом (например, всего 15 мкл) может объяснить потерю объема, но будет несовместимо с измеренными концентрациями везикул в установившемся состоянии.

Модель и симуляция эволюции сухой массы

Расчет сухой плотности ячейки требует использования объема и массы мембраны, которые, как предполагается, следующие: (14)

— площадь мембраны.Предполагается, что это соотношение сохраняется независимо от возраста клетки, с использованием значений и из Таблицы 5.

Следующие условия используются как в модели 1, так и в модели 2. Мы оцениваем потерю массы гемоглобина из измерений как, то есть, разницу между средней массой гемоглобина молодых эритроцитов и массой общей популяции эритроцитов (данные Advia, как на рисунке 1). Затем мы генерируем путь пробы Пуассона [22] и используем случайную выборку радиусов везикул из распределения на рисунке 5. Предполагая, что везикулы имеют сферическую форму, мы можем вывести площадь и объем поверхности везикул.Для моделирования требуются начальные значения массы Hb и площади поверхности. Массу гемоглобина на образец получают с помощью клинического анализатора Advia, а начальная площадь поверхности согласовывается по объему с данными [29]. Под «согласованным по объему» мы подразумеваем, что для каждой молодой клетки с известной массой и объемом Hb мы находим ячейку с ближайшим объемом в данных об объеме и площади поверхности из [29] и используем эту площадь поверхности для формирования массы Hb. -поверхность пара. Мы используем формулу. (8) и уравнение. (9) для эволюции массы Hb и площади поверхности, их суммы для сухой массы и уравнения.(15) для сухой плотности.

Тенденция сухой массы и сухой плотности предсказывается путем объединения данных клинического анализатора крови Advia и согласованной по объему площади поверхности из [29]. Данные SMR являются третьим источником данных, и каждый набор данных может иметь фиксированное смещение в зависимости от конкретной калибровки устройства (см. Таблицу 7 для обзора используемых наборов данных). Данные на рисунке 3 получены путем сопоставления средних значений сухой массы и сухой плотности исходных данных, используемых при моделировании, со средними значениями для верхних 20% измеренной сухой массы SMR (смещение 14.6% по массе и 0,9% по плотности). Смещение не влияет на соотношение между сухой массой и сухой плотностью, поскольку мы просто добавляем константу.

Обратите внимание, что предположение о пузырьке в форме шара является консервативным, поскольку оно приводит к оценке нижнего предела фактического увеличения плотности. Любая другая форма потребует большей площади поверхности везикулы, чтобы содержать такой же объем, что потребует увеличения плотности сбрасывающих клеток больше, чем в случае везикулы шарообразной формы.

Анализ плотности в сухом состоянии по траектории клетки

Следующие расчеты показывают при допущениях в формуле.(8) и уравнение. (9), и в частности, что для отделения каждой везикулы клеткой необходимо, чтобы ее плотность в сухом состоянии увеличивалась. Используя уравнение. (10) рассчитываем сухую плотность клеток: (15)

Тенденция к увеличению плотности вдоль траектории требует этого, если то (со строгим неравенством, по крайней мере, для некоторых возрастов). Теперь посмотрим на эффект отхождения единственной везикулы. Этого анализа достаточно из-за независимого свойства предлагаемой модели приращения. Если это время отделения пузырька, мы сравниваем с для (т.е.,). Переставляя уравнение. (15) получаем, если (16) где — [Hb] в везикуле. Уравнение (16) дает верхнюю границу концентрации Hb в везикулах. Связь рассчитывается из исходной клеточной массы гемоглобина и площади поверхности мембраны, а также радиуса везикулы. Принимая (пг), ( µ m ² ) и (нм), предел концентрации составляет 600. Для справки, [Hb] в эритроцитах человека никогда не выходит за пределы диапазона 20-50 г / дл, и это физически невозможно достичь такого высокого [Hb] (на основе значений в Таблице 5).Непосредственный вывод состоит в том, что у нас всегда увеличивается плотность сухого вещества вдоль траектории клетки. Этот результат можно было бы продемонстрировать экспериментально, если бы было возможно контролировать одиночный циркулирующий эритроцит в течение как минимум нескольких часов.

Таким образом, мы обнаружили, что сухая плотность клеток должна монотонно увеличиваться с каждым сбрасыванием пузырьков. Этот анализ сухой плотности вдоль трассы показывает, что разница в двух моделях (как показано на Рисунке 3 a-b) является количественной, а не качественной, поскольку обе модели имеют основную тенденцию к увеличению.Вторая модель (см. Рис. 3b) имеет более умеренное увеличение на везикулу и меньшее количество пузырьков вдоль траектории, что делает тенденцию менее очевидной на фоне изменчивости популяции.

Данные SMR и моделирование

На рисунке 6 мы показываем необработанные данные SMR: сухая масса по сравнению с сухой плотностью. Данные о молодых эритроцитах (ретикулоцитах) не были собраны для всех образцов и необходимы для моделирования. На рисунке 7 мы показываем эти образцы с одновременным измерением массы Hb и плотности в сухом состоянии.Здесь сообщаемая скорость везикуляции рассчитывается на образец в соответствии с формулой. (7) с поправкой на модель массы гемоглобина (уравнение (8)) для модели 1, предполагая для модели 2. Модель площади (уравнение (9)) может дать оценку, но поскольку у нас нет отдельных измерений площадь ячейки, мы используем 3 измерения объема и площади поверхности по одной ячейке и сравниваем исходные объемы, как описано выше. Эти предположения, вероятно, уменьшают вариабельность как внутри, так и между выборками. Полученные нами оценки находятся в диапазоне.Обратите внимание, что параметры площади поверхности, используемые в формуле. (9) и на рисунке 2 основаны на таблице 4, которая не зависит от площади поверхности, используемой в моделировании здесь, в контексте прогнозирования профилей плотности сухой массы, которые основаны на данных из [29].

Рис. 7. Измерения SMR сухой массы и плотности в сухом состоянии, образцы (S1-S5) с соответствующим моделированием на основе данных Advia (первая строка, модель 1, вторая строка модели 2, каждый столбец представляет собой один и тот же образец SMR).

Для модели 1 рассчитывается по модели массы Hb (уравнение.(8)), а для модели 2 — 11. Молодые клетки (красные точки) эволюционируют с использованием модели 1 или 2 для получения более старых клеток (синие точки) и сравнивают с измеренными данными SMR (фиолетовые точки). . Зеленая линия — это пример траектории одиночного RBC. Обратите внимание, что результаты моделирования (синие точки) представляют собой небольшую случайную выборку из всех смоделированных данных, размер которой соответствует размеру выборки SMR.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003839.g007

Среди образцов на рисунке 7, S2 (используется на рисунке 3), S4 и S5 более типичны для здоровых взрослых людей на основе среднего Hb. потеря массы.S1 и S3 показывают меньшую, чем обычно, потерю массы Hb (измерение Advia). Для S3 мы видим, что хотя расчетная скорость везикуляции только в 2,5 раза больше при оценке с использованием модели массы Hb по сравнению с моделью площади поверхности, плотность в сухом состоянии охватывает тот же диапазон, и, таким образом, разница между моделями 1 и 2 сохраняется. В образце S1 мы видим, что скорость везикуляции аналогична при оценке либо с помощью модели массы Hb, либо модели площади поверхности. В этом случае потеря массы Hb составляет 0,33 пг, что составляет 13,75% от средней потери у 21 здорового взрослого человека.Дальнейшее исследование этой аномалии выходит за рамки настоящего исследования. Возможно, что новые биофизические измерения, такие как сухая масса и сухая плотность, имеют диагностический потенциал в контексте некоторых форм анемии, которые связаны с популяцией ретикулоцитов, расположенной намного ближе к общей популяции (в отличие от рисунка 1). Вероятно, что эти патологические состояния демонстрируют разные модели созревания эритроцитов.

Обзор методов измерения

В этой работе несколько источников данных были интегрированы с помощью нашего математического моделирования.Мы собрали имена параметров, методы и ссылки в таблице 7. Здесь мы кратко опишем эти методы.

Объем эритроцитов и содержание гемоглобина измеряются с помощью автоматического клинического гематологического анализатора Siemens Advia 2120 [30]. Этот прибор по сути представляет собой проточный цитометр, в котором перед светорассеянием используется изоволюметрический сферический реагент для обеспечения инвариантности измерения к представлению клеток. Используя пару интенсивностей рассеяния света под малым и большим углом и теорию рассеяния Ми, рассчитывают объем клетки и концентрацию гемоглобина для каждой клетки.

Площадь поверхности измеряется с помощью микрожидкостного устройства либо путем фиксации ячеек в узлах известной геометрии [3], либо путем управления потоком и использования расчетов на основе симметрии для формирования двухмерного изображения [29].

Клеточная сухая масса и сухая плотность измеряются с помощью SMR, микропроцессорного датчика массы, который реализует принцип Архимеда в микрожидкостном устройстве для отдельных клеток. Измерение плавучей массы или массы в жидкости клетки последовательно в двух жидкостях известной плотности позволяет сделать вывод о массе, объеме и плотности клетки.Когда двумя жидкостями являются H ₂ O на основе и D ₂ O, ячейка обменивает свое содержание воды на D ₂ O, и, таким образом, измерения дают только сухую массу и сухую плотность RBC, поскольку только содержание сухого вещества, а не содержание воды, способствует плавучести в любой жидкости [16].

Как для оценки времени жизни эритроцитов [26], так и для скорости выведения из пузырьков [11], [26], [31], [32], план эксперимента включает выделение эритроцитов / везикул из образца крови, маркировку изолятов, реинфузию меченого образца и многократное измерение доли меченых клеток / везикул с течением времени.

Заявление об этике

Протокол исследования был одобрен местным наблюдательным советом (IRB) Массачусетской больницы общего профиля в соответствии с принципами, изложенными в Хельсинкской декларации.Мы использовали образцы крови, которые были собраны исключительно в не исследовательских целях (например, для лечения или диагностики).

Электрофорез гемоглобина: цель, процедура, риски, результаты

Электрофорез гемоглобина — это анализ крови, который измеряет различные типы белка, называемого гемоглобином, в ваших эритроцитах. Иногда это называют «оценкой гемоглобина» или «серповидно-клеточным скринингом».

Новорожденные автоматически проходят этот тест, потому что это закон. Есть ряд причин, по которым вы можете получить его во взрослом возрасте:

• У вас есть симптомы заболевания крови.
• У вас высокий риск заболевания крови из-за вашей расы.
• У вашего ребенка заболевание крови.
• Другой ваш анализ крови показал ненормальный результат.
• У вас серповидноклеточная анемия, и вам сделали переливание крови. В этом случае анализ покажет врачам, достаточно ли у вас нормального гемоглобина из новой крови.

Для подготовки к этому тесту не нужно делать ничего особенного. Но вы должны сообщить своему врачу, если вам делали переливание крови в течение последних 12 недель.В таком случае тест может дать ложный результат.

Тест предполагает взятие крови иглой. Риски низкие и могут включать:

• Кровотечение
• Обморок или головокружение
• Скопление крови под кожей (гематома)
• Инфекция

В лаборатории техник нанесет кровь на специальную бумагу и заполни его электричеством. Гемоглобины перемещаются и образуют на бумаге линии, которые показывают, сколько у вас каждого типа.

Что нужно для электрофореза гемоглобина?

Этот тест может помочь вашему врачу определить, есть ли у вас заболевание крови и какой это тип заболевания. Обычно это делается вместе с другими анализами крови.

Ваш врач может сказать вам, что он назначил этот тест для выявления гемоглобинопатии. Это универсальное слово, означающее аномальный гемоглобин. Нормальный гемоглобин переносит кислород и высвобождает его, чтобы ваши мышцы и органы могли его использовать. Аномальный гемоглобин несет меньше кислорода.Эти клетки крови также имеют более короткую продолжительность жизни, чем нормальный гемоглобин. Это может привести к так называемой гемолитической анемии. Вот где ваши эритроциты умирают раньше, чем должны.

Аномальный гемоглобин также может быть признаком других состояний, например:

• Серповидноклеточная болезнь. Обычно ваши кровяные тельца плоские, круглые и немного тоньше в центре. Они выглядят как круглый кусок теста, который вы зажали посередине между большим и большим пальцем. Они гибкие и могут проходить через крошечные кровеносные сосуды.При серповидно-клеточной анемии они имеют форму серпа или четверти луны. Они жесткие и могут застревать в мелких кровеносных сосудах, так что кровь не может пройти. Это может вызвать сильную боль, когда ваши органы и мышцы не получают необходимого им кислорода. Афроамериканцы имеют более высокий риск серповидно-клеточной анемии, чем люди других рас.
• Болезнь гемоглобина С. Это может вызвать легкую анемию и увеличить селезенку. Но в большинстве случаев это не вызывает особых проблем, если только у вас нет других видов аномальных гемоглобинов.Афроамериканцы имеют более высокий риск заболевания гемоглобином С.
• Талассемия. Существует более одного типа этого расстройства. Если он у вас есть, ваше тело не вырабатывает достаточно красных кровяных телец или внутри них недостаточно гемоглобина. В зависимости от того, какой вид гемоглобина поражен, талассемия может вызвать анемию легкой, средней или тяжелой степени. Эти расстройства передаются от родителей к детям через гены. Люди итальянского, греческого, ближневосточного, южноазиатского и африканского происхождения чаще болеют талассемией.

Молекула месяца: гемоглобин

Красная кровь, голубая кровь

Гемоглобин — это белок, который делает кровь красной.Он состоит из четырех белковых цепей, двух альфа-цепей и двух бета-цепей, каждая с кольцеобразной гемовой группой, содержащей атом железа. Кислород обратимо связывается с этими атомами железа и переносится через кровь. Каждая из белковых цепей похожа по структуре на миоглобин, белок, используемый для хранения кислорода в мышцах и других тканях. Однако четыре цепи гемоглобина дают ему некоторые дополнительные преимущества, как описано ниже.

Использование и злоупотребление гемоглобином

Искусственная кровь

Hemoglobin Cousins ​​

Аллостерическое движение гемоглобина с молекулой кислорода бирюзового цвета.

Сотрудничество упрощает работу

На этом анимированном рисунке группа гема одной субъединицы, показанная в маленьком круглом окошке, хранится в одном месте, так что вы можете видеть, как белок перемещается вокруг нее при связывании кислорода.Молекула кислорода показана сине-зеленым цветом. Когда он связывается с атомом железа в центре гема, он тянет аминокислоту гистидин вверх на нижней стороне гема. Это смещает положение всей альфа-спирали, показанной здесь оранжевым цветом под гемом. Это движение распространяется по всей белковой цепи и на другие цепи, в конечном итоге вызывая большое качательное движение двух субъединиц, показанных синим цветом. Показаны две структуры: записи PDB 2hhb и 1hho .

Проблемные гемоглобины

типов гемоглобина на протяжении всей жизни человека — журнал молодых ученых

Типы гемоглобина на протяжении всей жизни человека.

Введение:

В этой статье я кратко рассмотрю различные формы гемоглобина, присутствующие в организме человека; от эмбриона до взрослого человека.

Во-первых, давайте вспомним роль и структуру гемоглобина.

роль:

Роль гемоглобина очень похожа на роль водителя грузовика. Это потому, что гемоглобин загружает кислород, транспортирует кислород и, наконец, выгружает кислород.

Процесс, посредством которого гемоглобин загружает кислород, называется ассоциацией, и это происходит в регионах с высокой концентрацией кислорода — в легких. Здесь кислород и гемоглобин объединяются, образуя оксигемоглобин.

Процесс, при котором гемоглобин разгружает кислород, называется диссоциацией и происходит в областях с низкой концентрацией кислорода — в тканях. Здесь оксигемоглобин снова расщепляется на кислород и гемоглобин.

Следовательно, обратимая реакция может быть описана уравнением:

Кислород + гемоглобин ⇌ оксигемоглобин

Состав:

Гемоглобин — это большая молекула белка, состоящая из четырех атомов железа и имеющая четвертичную структуру.Четвертичная структура — это когда две или более полипептидных цепей соединяются вместе за счет химических связей, которые могут быть ионными, ковалентными или водородными связями.

В случае гемоглобина имеется четыре полипептидных цепи. Каждая из этих полипептидных цепей содержит группу гема, которая способна связываться с одной молекулой кислорода. Таким образом, каждая молекула гемоглобина может переносить четыре молекулы кислорода. В каждом эритроците содержится около 270 миллионов молекул гемоглобина, поэтому каждый эритроцит может нести около 1080 миллионов молекул кислорода!

Типы гемоглобина:

На протяжении всей жизни человека существует семь типов молекул гемоглобина.Четыре, когда вы являетесь эмбрионом, один, когда вы разовьетесь в плод, а затем, когда вы станете взрослым, у вас появятся два.

Эмбриональный гемоглобин:

Форма гемоглобина, наиболее распространенная и в наибольшей степени в эмбрионе, — это гемоглобин Гауэр I (ζ ₂ ε ₂ ). Четыре полипептидные цепи, составляющие этот тип гемоглобина, представляют собой две дзета-цепи и две эпсилон-цепи.

Остальные три формы гемоглобина присутствуют на гораздо более низких уровнях:

• Гемоглобин Гауэр II (α ₂ ε ₂ ) — состоит из двух альфа- и двух эпсилон-цепочек.
• Гемоглобин Портланд I (ζ ₂ γ ₂ ) — Состоит из двух дзета- и двух гамма-полипептидов.
• Гемоглобин Портланд II (ζ ₂ β ₂ ) — состоит из двух дзета- и двух бета-полипептидных цепей.

Гемоглобин плода:

Когда эмбрион превращается в плод и четыре типа эмбриональных молекул гемоглобина исчезают, они заменяются гемоглобином F (α ₂ γ ₂ )

Этот тип гемоглобина используется из-за того, что он имеет большее сродство к кислороду, чем взрослый гемоглобин.Таким образом, растущий плод может получать кислород матери, который находится в ее кровотоке.

Гемоглобин взрослого:

Гемоглобин F остается в крови ребенка, пока ему не исполнится около шести месяцев, а затем почти весь он замещается гемоглобином взрослого человека.