CC BY
17ОБ УЧАСТИИ АГРЕГАЦИОННЫХ СПОСОБНОСТЕЙ ЭРИТРОЦИТОВ В ФОРМИРОВАНИИ
РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ
Катюхин Л.Н.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук, Санкт-Петербург
ON THE PARTICIPATION OF AGGREGATION ABILITIES OF RED BLOOD CELLS IN THE FORMATION OF BLOOD RHEOLOGICAL PROPERTIES
Katiukhin L.
Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences,
(IEPhB RAS) Saint-Petersburg, Russian Federation Corresponding author: Leading Researcher at Sechenov Institute of Evolutionary
Physiology and Biochemistry, St. Petersburg, Russia
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты истории изучения феномена обратимой агрегации эритроцитов и современные методы измерения. Рассмотрены условия формирования агрегатов в сосудах с низким напряжением сдвига. Сделано предположение о нецелесообразности снижения агрегационной способности эритроцитов для коррекции реологического поведения крови при патологии.
ABSTRACT
This review contains the history of the reversible aggregation erythrocytes phenomenon study and modern measurement techniques. The conditions of formation of aggregates in vessels with low shear stress are discussed. The assumption is made on the feasibility of reducing the aggregation of red blood cells for correcting the rheo-logical behavior of blood in the pathology.
Ключевые слова: эритроциты, агрегация, скорость сдвига, агрегометрия.
Keywords: erythrocytes, aggregation, shear rate, aggregometry.
В покоящейся крови эритроциты образуют непрерывную структуру, т.е. имеют тенденцию агрегировать и формировать т.н. "монетные столбики" -стопки, в которых клетки соприкасаются своими плоскими поверхностями, что впервые обнаружено в записях William Hewson в 1773: «It is necessary to remark, that in a few minutes after particles are spread out on glass, they run in clusters and stick to each other...» [1]. Позднее на этот эффект в капле крови обратили внимание еще предшественники Джозефа Листера в 1827 году. В 1859 году им были обобщены эти наблюдения и подробнейшим образом описаны результаты основательных исследований в различных экспериментальных условиях этой уникальной способности эритроцитов и лейкоцитов у разных видов млекопитающих и земноводных. Впервые было засвидетельствовано сильное отличие способности формировать монетные столбики эритроцитами у разных видов животных, с одной стороны, эритроцитов и лейкоцитов, с другой, а также усиление этого процесса при воспалении [2].
На сегодняшний день считается, что агрегация эритроцитов наряду с их деформационными свойствами является важной детерминантой, формирующей реологические свойства крови и структуру кровотока. Для объяснения агрегации эритроцитов предложены две параллельные модели. Согласно "bridging theory" агрегация наблюдается, когда дезагрегирующие силы неспособны противостоять адсорбции макромолекул находящимися рядом клетками. "Depletion model", основанная на коллинеар-ных свойствах полимеров и экспериментах в суспензионных средах с декстранами различных
молекулярных весов, не выдвигает новой парадигмы, поскольку агрегация усиливается лишь в присутствии декстранов с весом более 60 тыс. дальтон, а с меньшими весами не наблюдается вообще. При любом рассмотрении причины сближения контактирующих частиц происходит истощение контактной области по большим молекулам и приводит к образованию агрегатов, преодолевая дизруп-тивные силы (электрический заряд мембран, механическое смещение, броуновское движение). Следует признать, что формирование эритроцитар-ных агрегатов, по-видимому, является результатом действия как осмотических сил, так налаживания межмолекулярных мостиков [3-6]. Сторонники теории истощения делают вполне справедливый вывод, что свойства эритроцитов как внутренней склонности к агрегации могут быть оценены только в искусственно созданных условиях, исключающих влияние плазматических факторов, т.е. в растворах стандартизированных суспендирующих средств, или декстранов [7, 8]. Этот эффект проявляется при низких скоростях сдвига и зависит как от свойств собственно эритроцитов, так и физико-химических свойств суспензионной среды, т.е. от присутствия в плазме макромолекул, таких как фибриноген, иммуноглобулины и т.д. [9, 10].
В последние годы поток литературы, посвященной исследованиям этого феномена, несколько ослаб. Зато определился тренд фармакологических компаний при разработке и тестировании средств, предназначенных для улучшения реологических свойств крови. Совершенствуются установки и способы обсчета агрегационных характеристик. Для
оценки способности эритроцитов к агрегации используют прецизионные установки и методы как зарубежных, так и отечественных производителей. Регистрация т.н. силлектограмм на эритроагрего-метре фирмы «Sefam» (ВгаЬ(Н5-54500 Уапс1оси\ гс
les Nancy-France) либо на современном эктацито-метре фирмы «Lorrca» (LoRRca MaxSis Osmoscan ektacytometer) производится только после остановки вращения. На рисунке 1 представлена соответствующая силлектограмма.
Рисунок 1. Силлектограмма эритроцитов.
Оценивается скорость агрегации путем вычисления площади пикового подъема экстинкции после внезапной остановки вращения ячейки Куэтта и сброса напряжения сдвига в течение первых 5-10 секунд. В этот промежуток времени восстанавливается форма эритроцитов, приобретенная в сдвиговом потоке, и начинается этап формирования т.н. «монетных столбиков». Вычисляется максимальная скорость сдвига, необходимая для полной дезагрегации эритроцитов [11-13].
Пьезодинамический метод в микрокамере, предложенный томским биофизиком Р.Т.Тухвату-линым, позволяет качественно охарактеризовать совокупный дезагрегационно-агрегационный процесс. Агрегограмма нативной крови, зарегистрированная на фотометрическом приборе «Тест» КТИ «Оптика» СО РАН и аналогичная получаемой на эктацитометре фирмы «Lorrca», представлена на рисунке 2.
о 90 к
S 80
S 70 H
о
0> 60
D/2
0 20 Тмин
40
Стадия
восстановления формы
60 80 Тмакс
100 120 140 160 180 200
Время, Сек
Рисунок 2. Пьезодинамическая агрегограмма нативной крови.
Рассчитывают следующие показатели: минимальную прочность агрегатов Тмин как время, прошедшее с момента запуска вынуждающего воздействия до начала движения отдельных агрегатов и эритроцитов в микрокамере; максимальную прочность Тмакс как время, необходимое для полной дезагрегации эритроцитов; скорость спонтанной агрегации y как обратную величину полупериода времени экспоненциального спада экстинкции после сброса напряжения, и, наконец, интегральный индекс агрегации Тмакс/t.
Усиление агрегационной способности эритроцитов при воспалении, стрессе и развитии прочих патологических процессов рассматривается исключительно в негативном контексте. В особенности очень популярно отмечать участие агрегационных свойств эритроцитов при эндотелиальных расстройствах, бляшкообразовании и травмах сосудов, когда основные события развиваются вблизи стенок сосудов, где скорость сдвига наибольшая. Несмотря на поддерживаемый интерес к оценке агре-гационных свойств эритроцитов, попытаемся определиться в целесообразности таких исследований.
Величиной, определяющей внутреннее усилие для разрушения агрегатов эритроцитов, является скорость сдвига. Многочисленными наблюдениями, произведенными с 1966 года Dintenfass L., Chien S., Sung L.A., Kim S., Burke A.M., Usami S., Schmid-Schonbein G.W. и впоследствие другими исследователями, показано, что агрегаты эритроцитов разрушаются уже при пороговой скорости сдвига вблизи значений 50 с-1. К примеру, для полой вены человека (vena cava) диаметром около 10 мм с наименее напряженными условиями кровотока скорость сдвига составляет 100 с-1 , для вен -160 с-1, в метаболических сосудах, таких как ве-нулы, (800-1000) с-1, не говоря уже об артериолах, где она уже 8000 с-1 [14-16]. Скорость сдвига рассчитывается как градиент скорости Y=^Vx/ôy в трубках тока жидкости в направлении, перпендикулярном вектору движения Y. Учитывая параболическое распределение скоростей по сечению сосуда (принцип Бернулли для медленно текущих в ламинарном режиме вязких жидкостей), скорость сдвига в просвете сосуда изменяется от нулевого значения в центре сосуда до максимального у его стенки. Установлено, что в капиллярах, чей диаметр порой составляет треть от диаметра эритроцита, и где осуществляются все основные обменные процессы, закупорки, или остановки течения, никогда не наблюдается даже в опытах с декстранами большого молекулярного веса [6]. Таким образом, поскольку в нормальном кровотоке агрегаты разрушаются действием достаточно легких сдвиговых усилий, тенденция к их образованию в крови при физиологических условиях in vivo существенным образом не влияет на реологическое поведение крови. На наш взгляд, агрегация эритроцитов — это минорный физический феномен, по степени проявления конкурирующий с налаживанием водородных связей при формировании пространственной структуры биологических макромолекул и Ван-дер-Ваальсо-
выми силами, возникающими между макроскопической частицей и молекулой, а также между частицами [17-19]. Усиление агрегационных способностей большого числа носителей кислорода следует рассматривать как защитную реакцию организма на изменение белкового паттерна плазмы при патологии вообще и при воспалении в частности, на самом деле улучшающую кровоснабжение тканей. Повышенная агрегация способствует накоплению эритроцитов в центральных областях сосудов, образованию плазматической муфты и слою скольжения вблизи эндотелиальной выстилки, и активно бороться с ней представляется неразумным. Целесообразно поддерживать эволюционно выработанный механизм борьбы организма за поддержание реологических свойств крови при патологических процессах с помощью препаратов, усиливающих проагрегирующий эффект, скажем иммуноглобулинов, сосредотачивая внимание на деформируемости красных клеток крови. Однако коррекцию реологических свойств крови при заболеваниях и выборе плазмозаменителей необходимо производить в полном соответствии с реологическим статусом здорового организма, придерживаясь корреляционных взаимоотношений реологических детерминант эритроцитов [12].
С другой стороны, при травме сосуда разрушенные эритроциты способствуют образованию тромбоцитарной пробки и фибринового сгустка за счет активации эритроцитарных факторов свертывания (химическая роль). Они способны адсорбировать и аккумулировать на своей поверхности плазменные факторы свертывания, фибринолиза и антикоагулянты, к их поверхности прикрепляются нити фибрина (механическая роль). Таким образом, феномен агрегации эритроцитов проявляется лишь при полном прекращении кровотока, но все же представляет и теоретический, и практический интерес, т.к. служит простой моделью для изучения клеточных взаимодействий в биологических системах.
Работа выполнена в рамках государственного задания: тема №^АААА-А18-118Q1229Q142-9.
Литература
1. Lee K., Kinnunen M., Khokhlova M.D., Lyu-bin E.V., Priezzhev A.V., Meglinski I., Fedyanin A.A. Optical tweezers study of red blood cell aggregation and disaggregation in plasma and protein solutions. J Biomed Opt. 21(3): 35QQ1. 2Q16.
2. Lister J. On the early stages of inflammation. Phil. Trans. Roy. Soc. London. 148, 645-7Q2. 1859.
3. Соколова И.А., Рыкова С.Ю., Шахназаров А. А., Гафарова М.Э., Краснова Т.Н., Хохлова М. Д., Любин Е.В., Скрябина М.Н., Жданов А.Г., Федянин А. А. Агрегация эритроцитов: некоторые вопросы и гипотезы. Российский журнал биомеханики. 15(1): 7-22. 2Q11
4. Chien S., Jan K.M. Red cell aggregation by macromolecules: roles of surface adsorption and electrostatic repulsion. J Supramol Struct. 1(4): 385-4Q9. 1973.
5. Stoltz J.F., Donner M. Red blood cell aggregation: measurements and clinical applications. Turk J Med Sci. 15(1). 26-39. 1991.
6. Vicant E. L'agregation erythrocytaire. Sang Thrombose Vaisseaux. 6(6). 377-384. 1994.
7. Baskurt O.K., Meiselman H.J. Red blood cell "aggregability". Clin Hemorheol Microcirc. 43(4), 353354. 2009.
8. Neu B., Meiselman H.J. Handbook of Hem-orheology and Hemodynamics. IOS Press. Amsterdam. 2007.
9. Chien S., Sung L.A. Molecular basis of red cell membrane rheology. Part 1. Biorheology, 27(3-4): 327-344. 1990.
10. Rampling M.W., Meiselman H.J., Neu B., Baskurt O.K. Influence of cell-specific factors on red blood cell aggregation. Biorheology. 41(2): 91-112. 2004.
11. Donner M., Siadat M., Stoltz J.F. Erythrocyte aggregation: approach by light scattering determination. Biorheology. 25(1-2): 367-375. 1988.
12. Katiukhin L.N. Erythrocyte shape transformation in physiological regulation of blood viscosity.
Open Journal of Molecular and Integrative Physiology, 3(4): 194-198. 2013.
13. Razavian S.M., Del Pino M., Simon A., Le-venson J. Increase in erythrocyte disaggregation shear stress in hypertension. Hypertension. 20(2): 247-252. 1992.
14. Charm S.E., Kurland G.S. Cardiovascular fluid dynamics. Vol.2. Acad. Press, London and New York, 1972.
15. Elert G. The Physics Hypertextbook. 1998.
16. Schmid-SchOnbein H. Microcirculation. Current physiologic, medical, and surgical concepts. Acad Press. N.Y., London, Toronto, Sydney, San Francisco. 1981.
17. Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. М: Наука. 1988. [Barash, Yu.S. The forces of Van der Waals. M: Science. 1988. (In Russ)].
18. Стид Дж. В., Этвуд Дж. Л. Супрамолеку-лярная химия. Т. 1. М.: Академкнига. 2007. [Steed J.V., Atwood J.L. Supramolecular chemistry. T. 1. M.: Academic book. 2007. (In Russ)].
19. Israelachvili J.N. Intermolecular and Surface Forces. London: Acad Press. 2011.
