[논문 리뷰] Alterations in cell surface area and deformability of individual human red blood cells in stored blood

HyunJoo Park, Misook Ji외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 17.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 51인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 저장 기간 동안 개별 인간 적혈구(RBC)를 정량적 위상 영상 기법을 사용하여 분석하여, CPDA-1 보존 용액이 최대 6주 동안 RBC의 형태와 탄성변형성을 유지함을 밝혀냈다. 반면, 보존되지 않은 RBC는 2주 내로 표면적이 감소하고 탄성변형성이 떨어지는 구형세포로 급격히 변형된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 혈액 저장 기간 동안 개별 인간 적혈구의 점진적인 형태학적 및 기계적 변화를 조사하기 위해.
• CPDA-1 보존 용액이 시간이 지남에 따라 RBC 기능성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 단일 세포 수준에서 표면적, 탄성변형성, 부피, 구형도의 변화를 정량화하기 위해.
• 굴절률 및 세포막 진동과의 상관관계를 통해 RBC의 기능 저하를 광학적 측정치로 추론하기 위해.
• 보존 용액이 없는 조건에서 RBC의 기능 저하 시계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 개별 RBC의 굴절률(RI) 분포를 측정하기 위해 3차원 정량적 위상 영상 기법을 사용하였다.
• 광학적 위상 데이터로부터 부피, 표면적, 구형도와 같은 형태학적 매개변수를 정량화하였다.
• RBC의 탄성변형성을 지표로 삼기 위해 동적 세포막 진동을 측정하였다.
• RI 지도로부터 헤모글로빈 농도 및 농도와 같은 생화학적 매개변수를 동시에 추출하였다.
• CPDA-1를 사용하여 저장한 RBC와 사용하지 않은 RBC를 여러 시간 포인트(최대 6주) 동안 비교하였다.
• 표지 또는 고정 없이 광학적 측정치를 통해 기계적 및 생화학적 성질을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CPDA-1를 사용하지 않은 상태에서 저장 기간 동안 개별 RBC의 표면적과 탄성변형성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 CPDA-1는 6주 간의 저장 기간 동안 RBC의 형태와 기계적 기능을 어느 정도 유지하는가?
• RQ3 저장된 RBC에서 디스크세포에서 구형세포로의 형태학적 전환이 일어나는 시계는 어떻게 되는가?
• RQ4 굴절률 변화와 세포막 진동의 변화는 저장된 RBC의 기능 저하와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 저장된 RBC에서 구형도, 표면적, 탄성변형성 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• CPDA-1를 사용하지 않은 RBC는 2주 이내에 디스크세포에서 구형세포로 급격히 형태학적 전환을 겪었다.
• 보존되지 않은 RBC의 세포 표면적이 2주가 지난 후에 유의미하게 감소하였으며, 이는 탄성변형성 상실과 상관관계가 있었다.
• 보존되지 않은 RBC의 탄성변형성은 2주가 되면서 뚜렷하게 감소하였으며, 이는 세포막 진동 진폭 감소로 나타났다.
• 보존되지 않은 RBC에서 구형도가 유의미하게 증가하여, 구형 형태로의 전환을 확인하였다.
• CPDA-1로 보존된 RBC는 최대 6주 동안 정상적인 디스크세포 형태를 유지하였고, 표면적이 안정되었으며, 높은 탄성변형성을 유지하였다.
• CPDA-1로 보존된 RBC에서 굴절률과 헤모글로빈 농도는 비교적 안정되어 있어 시간이 지나도 생화학적 안정성이 유지됨을 시사하였다.