[論文レビュー] Alterations in cell surface area and deformability of individual human red blood cells in stored blood

HyunJoo Park, Misook Ji+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、定量的位相イメージングを用いて貯蔵中の個々のヒト赤血球（RBC）を分析し、CPDA-1保存液が6週間までRBCの形態および変形性を維持することを明らかにした。一方、保存液なしのRBCは2週間以内に表面積および変形性が著しく低下する球状細胞（spherocytes）に急速に変化した。

ABSTRACT

The functionality and viability of stored human red blood cells (RBCs) is an important clinical issue in transfusion. To systematically investigate changes in stored whole blood, the hematological properties of individual RBCs were quantified in blood samples stored for various periods with and without a preservation solution called CPDA-1. With 3-D quantitative phase imaging techniques, the optical measurements of the 3-D refractive index (RI) distributions and membrane fluctuations were done at the individual cell level. From the optical measurements, the morphological (volume, surface area and sphericity), biochemical (hemoglobin content and concentration), and mechanical parameters (dynamic membrane fluctuation) were simultaneously quantified to investigate the functionalities and their progressive alterations in stored RBCs. Our results show that the stored RBCs without CPDA-1 had a dramatic morphological transformation from discocytes to spherocytes within 2 weeks which was accompanied with significant decreases in cell deformability and cell surface area, and increases in sphericity. However, the stored RBCs with CPDA-1 maintained their morphology and deformability for up to 6 weeks.

研究の動機と目的

• 血液貯蔵中に生じる個々のヒト赤血球の進行的形態的および機械的変化を調査すること。
• CPDA-1保存液が時間経過に伴うRBC機能に与える影響を評価すること。
• 個細胞レベルでの表面積、変形性、体積、球状度の変化を定量化すること。
• 屈折率および膜のフラクチュエーションの光学的測定値とRBC機能低下の相関関係を特定すること。
• 保存液なしの状態におけるRBC劣化の時間的経過を特定すること。

提案手法

• 3次元定量的位相イメージングを用いて、個々のRBCの屈折率（RI）分布を測定した。
• 光学位相データから体積、表面積、球状度などの形態的パラメータを定量化した。
• 膜の動的フラクチュエーションをRBCの変形性の指標として測定した。
• RIマップからヘモグロビン含有量および濃度といった生化学的パラメータを同時に抽出した。
• CPDA-1を用いた保存としない保存の両方を、複数の時間点（最大6週間）にわたり比較した。
• 標識や固定を用いずに、光学的測定により機械的および生化学的特性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPDA-1を用いない貯蔵中に、個々のRBCの細胞表面積および変形性はどのように変化するか？
• RQ2 CPDA-1は6週間の貯蔵期間中にRBCの形態および機械的機能をどの程度維持するか？
• RQ3 貯蔵中のRBCがディスクサイトから球状細胞へと形態的変化を示す時間的経過は何か？
• RQ4 屈折率および膜のフラクチュエーションの変化は、貯蔵中のRBC機能低下とどのように相関するか？
• RQ5 貯蔵中のRBCにおいて、球状度、表面積、および変形性の関係は何か？

主な発見

• CPDA-1を用いないRBCは、2週間以内に著しい形態的変化を示し、ディスクサイトから球状細胞に変化した。
• CPDA-1を用いないRBCでは、2週間の貯蔵後に細胞表面積が顕著に減少し、変形性の喪失と相関した。
• CPDA-1を用いないRBCでは、2週目までに膜のフラクチュエーション振幅が低下し、変形性が著しく低下した。
• CPDA-1を用いないRBCでは、球状度が顕著に増加し、球状形態への移行が確認された。
• CPDA-1で保存されたRBCは、6週間まで正常なディスクサイト形態を維持し、安定した表面積および高い変形性を示した。
• CPDA-1で保存されたRBCでは、屈折率およびヘモグロビン濃度が比較的安定しており、時間経過に伴う生化学的安定性が示された。