التحليل الكمي للخصائص اللزجة المرنة لخلايا الدم الحمراء باستخدام ملاقط بصرية والفحص المجهري اللابؤري

Lucas Barreto; Fran Gomez; Pedro S. Lourenço; Douglas G. Freitas; Juliana Soares; Clemilson Berto-Junior; Ubirajara Agero; Nathan B. Viana; Bruno Pontes

doi:10.3791/63626

Summary

هنا ، يتم وصف بروتوكول متكامل يعتمد على الملقط البصري والفحص المجهري اللابؤري لقياس الخصائص الريولوجية للخلايا. هذا البروتوكول له قابلية تطبيق واسعة في دراسة الخصائص اللزجة المرنة لكريات الدم الحمراء في ظل ظروف فيزيائية مرضية متغيرة.

Abstract

تم التحقيق في الخصائص اللزجة المرنة لكريات الدم الحمراء من خلال مجموعة من التقنيات. ومع ذلك ، تختلف البيانات التجريبية المبلغ عنها. لا يعزى هذا فقط إلى التباين الطبيعي للخلايا ، ولكن أيضا إلى الاختلافات في طرق ونماذج استجابة الخلية. هنا ، يتم استخدام بروتوكول متكامل باستخدام ملاقط بصرية ومجهر إلغاء التركيز للحصول على السمات الريولوجية لخلايا الدم الحمراء في نطاق التردد من 1 هرتز إلى 35 هرتز. بينما يتم استخدام الملقط البصري لقياس الثابت المرن المعقد لكرات الدم الحمراء ، فإن الفحص المجهري اللابؤري قادر على الحصول على ملف تعريف ارتفاع الخلية وحجمها وعامل شكلها معلمة تسمح بتحويل ثابت المرونة المعقد إلى معامل قص معقد. علاوة على ذلك ، بتطبيق نموذج ريولوجي زجاجي ناعم ، يمكن الحصول على أس القياس لكلا المعيارين. تسمح المنهجية المطورة باستكشاف السلوك الميكانيكي لخلايا الدم الحمراء ، وتوصيف معلماتها اللزجة المرنة ، التي تم الحصول عليها في ظل ظروف تجريبية محددة جيدا ، للعديد من الحالات الفسيولوجية والمرضية.

Introduction

خلايا الدم الحمراء الناضجة (RBCs) ، والمعروفة أيضا باسم كريات الدم الحمراء ، قادرة على تمديد أكثر من ضعف حجمها عند المرور عبر أضيق الشعيرات الدموية في جسم الإنسان¹. وتعزى هذه القدرة إلى قدرتها الفريدة على التشوه عند تعرضها لأحمال خارجية.

في السنوات الأخيرة ، ميزت دراسات مختلفة هذه الميزة في أسطح كرات الدم الحمراء ^2,3. يسمى مجال الفيزياء الذي يصف الاستجابات المرنة واللزجة للمواد بسبب الأحمال الخارجية الريولوجيا. بشكل عام ، عندما يتم تطبيق قوة خارجية ، يعتمد التشوه الناتج على خصائص المادة ويمكن تقسيمه إلى تشوهات مرنة ، تخزن الطاقة ، أو التشوهات اللزجة ، التي تبدد الطاقة⁴. جميع الخلايا ، بما في ذلك كرات الدم الحمراء ، تظهر سلوكا لزجا مرنا. بمعنى آخر ، يتم تخزين الطاقة وتبديدها. وبالتالي يمكن وصف الاستجابة اللزجة المرنة للخلية بمعامل القص المعقد G * (ω) = G '(ω) + iG "(ω) ، حيث G ' (ω) هو معامل التخزين ، المرتبط بالسلوك المرن ، و G" (ω) هو معامل الفقد ، المتعلق بلزوجته⁴. علاوة على ذلك ، تم استخدام النماذج الظاهرية لوصف استجابات الخلايا ، ويطلق على أحد أكثرها استخداما نموذج الريولوجيا الزجاجية^{الناعمة 5} ، والذي يتميز باعتماد قانون الطاقة لمعامل القص المعقد مع تردد الحمل.

تم استخدام الطرق القائمة على الخلية الواحدة لتوصيف الخصائص اللزجة المرنة لكرات الدم الحمراء ، من خلال تطبيق القوة وقياس الإزاحة كدالة للحمل المفروض ^2,3. ومع ذلك ، بالنسبة لمعامل القص المعقد ، يمكن العثور على نتائج قليلة في الأدبيات. باستخدام تشتت الضوء الديناميكي ، تم الإبلاغ عن قيم تخزين كرات الدم الحمراء ووحدات الخسارة تتراوح من 0.01-1 باسكال ، في نطاق تردد 1-100 هرتز⁶. باستخدام القياس الخلوي الملتوي المغناطيسي البصري ، تم الحصول على معامل مرونة معقد ظاهر⁷ ، ولأغراض المقارنة ، زعم أن العامل المضاعف ربما يوضح التناقضات.

في الآونة الأخيرة ، تم إنشاء منهجية جديدة تعتمد على الملقط البصري (OT) جنبا إلى جنب مع الفحص المجهري اللابؤري (DM) ، كأداة متكاملة لرسم خريطة كمية لتخزين وفقدان وحدات القص لكريات الدم الحمراء البشرية على الأحمال المعتمدة على الوقت ، ^8,9. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام نموذج ريولوجي زجاجي ناعم لتناسب النتائج والحصول على معامل قانون الطاقة الذي يميز كرات الدم^{الحمراء} ^8,9.

بشكل عام ، توضح المنهجية المطورة ^8,9 ، التي تم وصف البروتوكول بالتفصيل أدناه ، التناقضات السابقة باستخدام القيم المقاسة لعامل الشكل ، F_f ، الذي يربط القوى والتشوهات بالضغوط والإجهاد في سطح كرات الدم الحمراء ويمكن استخدامه كطريقة تشخيصية جديدة قادرة على تحديد المعلمات اللزجة المرنة والسمات الزجاجية الناعمة لكرات الدم الحمراء التي تم الحصول عليها من الأفراد ذوي الدم المختلف الامراض. مثل هذا التوصيف ، باستخدام البروتوكول الموضح أدناه ، قد يفتح إمكانيات جديدة لفهم سلوك كرات الدم الحمراء من منظور ميكانيكي بيولوجي.

Protocol

تم تقديم عينات الدم البشري من قبل متطوعين بالغين من الرجال والنساء وفقا للبروتوكولات المعتمدة من قبل لجنة أخلاقيات البحث في الجامعة الفيدرالية في ريو دي جانيرو (البروتوكول 2.889.952) والمسجلة في منصة البرازيل تحت رقم CAAE 88140418.5.0000.5699. تم إصدار نموذج خطي للموافقة على جميع المتطوعين وجمعها منهم. تم استبعاد أولئك الذين يعانون من أي اعتلال الهيموغلوبين و / أو تناول الأدوية الخاضعة للرقابة. اتبعت العملية برمتها المبادئ التوجيهية التي وافقت عليها اللجنة الأخلاقية للمعهد.

1. إعداد أصحاب العينات

الحصول على منزلقين للغطاء (24 مم × 60 مم و 24 مم × 32 مم ؛ سمك = 0.13-0.17 مم) وحلقة مطاطية واحدة (القطر = 10 مم ؛ سمك = 2 مم) لكل حامل عينة.
صب شحم السيليكون على سطح الحلقة المطاطية بطريقة تغطي المحيط بأكمله.
ضع الحلقة المطاطية على غطاء الغطاء بحيث يكون جانب الشحوم مواجها لغطاء الغطاء. انتظر لمدة 5 دقائق للمرفق المناسب ، ثم يكون حاملو العينات جاهزين لاستقبال ثقافة الخلية.
ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضا استخدام الأطباق الزجاجية التجارية أو محلية الصنع ، كما هو موضح سابقا¹⁰.

2. ثقافة الخلية

ملاحظة: تصف الخطوات أدناه كيفية الحصول على كرات الدم الحمراء الصحية من دم الإنسان. من المهم أن يتم تحضير العينات طازجة قبل كل تجربة.

تمييع 20 ميكرولتر من الدم في 250 ميكرولتر من محلول ملحي عازل فوسفات واحد (PBS) يحتوي على 137 ملليمتر كلوريد الصوديوم ، 2.7 ملليمتر كيل ، 10 مللي متر Na 2 HPO 4 ، 1.8مللي متر KH₂PO₄ ، 10 ملليمتر جلوكوز ، ومكمل ب 1 مجم / مل من ألبومين مصل الأبقار (BSA).
بعد الطرد المركزي عند 200 × جم لمدة دقيقتين في درجة حرارة الغرفة ، قم بنضح المادة الطافية باستخدام ماصة وأعد تعليق حبيبات الخلية في 1 مل من محلول 1x PBS / BSA. اغسل الخلايا 2x في المخزن المؤقت.
احسب كثافة الخلايا باستخدام جهاز قياس الهيموميتر وزرع 50000 إلى 100000 خلية في حامل العينة المحضر في الخطوة 1. انتظر لمدة 10-15 دقيقة لمرفق خلية غير محددة بغطاء الغطاء ؛ وقت الانتظار لا يؤثر على الخلايا.
أضف إلى العينة 0.2 ميكرولتر من محلول كرة البوليسترين 10٪ v / v (نصف القطر = 1.52 ± 0.02 ميكرومتر) لمزيد من تجارب OT. تأكد من الخلط المناسب من خلال النظر إلى العينات تحت المجهر.
بعد بذر الخلايا ، ما عليك سوى وضع الغطاء الثاني فوق الحلقة المطاطية (ليس من الضروري إضافة شحم للتثبيت) ، وإغلاق الإعداد ، وإنهاء تحضير العينة. العينات جاهزة للتحليل المجهري والتلاعب.

3. إعداد مجهر الملقط البصري

ملاحظة: OT هي أدوات تستخدم شعاع ليزر عالي التركيز لاحتجاز الأجسام المجهرية وقياس القوى في نطاق piconewton والإزاحات في مقياس النانومتر. يجب محاذاة ليزر OT المستخدم (الطول الموجي 1064 نانومتر) بشكل صحيح ، كما هو موضح سابقا¹⁰.

باختصار ، باستخدام مرآتين على الأقل مفصولتين بمسافة بضعة سنتيمترات (10-20 سم على الأقل) ، قم بتوجيه شعاع ليزر مستقطب خطيا نحو المدخل الخلفي للمجهر المقلوب. قم بمحاذاة شعاع الليزر بدقة لدخول المجهر في خط مستقيم (الشكل 1).
بعد ذلك ، قم بعكس شعاع الليزر باستخدام مرآة ثنائية اللون ، مثبتة في المجهر ، للمضي قدما بالتوازي مع محور العدسة الشيئية ودخول العدسة بالقرب من مركز مدخلها الخلفي. سيؤدي ذلك إلى تركيز الليزر لإنشاء المصيدة الضوئية (الشكل 1).
بعد ذلك ، لقياس القوى باستخدام OT ، قم بمعايرة النظام للحصول على صلابة المصيدة (κ_OT). انظر¹⁰ للحصول على وصف أكثر تفصيلا لإجراء معايرة OT. بمجرد العثور على κ OT ، يكون نظام _OTجاهزا لتجارب الريولوجيا.

4. إعداد DM

ملاحظة: DM هي تقنية مجهرية ضوئية قائمة على برايت فيلد تسمح للأجسام الشفافة بأن تصبح مرئية إذا كان المجهر غير مركز قليلا^11,12. تم تطبيق هذه التقنية للحصول على شكل كرات الدم الحمراء¹³. يمكن استخدام نفس المجهر المستخدم لنظام OT ل DM ، للحصول على ملف تعريف الارتفاع من خلال إعادة بناء 3D.

اضبط نظام إضاءة المجهر عن طريق إجراء إضاءة Köhler¹⁴ ، وللحصول على دقة أفضل ، افتح الحجاب الحاجز المكثف بالكامل لإجراء التجارب.
استخدم نظام تحديد المواقع الكهرضغطية لإزاحة العينة في جميع الإحداثيات ، بدقة نانومترية في المحور z. قم بإجراء المعايرة التلقائية للنظام الكهرضغطية على جميع المحاور. بمجرد تنفيذ جميع الإجراءات ، يكون نظام المجهر جاهزا لتجارب DM.

5. تجربة وتحليل الريولوجيا القائمة على OT

ملاحظة: تتكون تجربة الريولوجيا من مراقبة استجابات الخلية للتذبذبات الصغيرة ذات الترددات المختلفة.

التجريب
1. باستخدام نظام OT ، قم باحتجاز الكرة باستخدام ليزر OT ثم قم بتوصيلها ب RBC عن طريق الضغط على الكرة مقابل سطح الخلية بالقرب من السطح العلوي وبالقرب من حافة الخلية. استخدم المجهر لهذه الخطوة. بعد ذلك ، قم بفخ كرة أخرى وكرر نفس إجراء التعلق ولكن الآن قم بإرفاقه بغطاء الغطاء ، بالقرب من الخلية. الكرة المرفقة بالغطاء هي الخرزة المرجعية (الشكل 2) ، وهو أمر ضروري لمتابعة إزاحة بيزو وللمقارنة مع كرة كرات الدم الحمراء.
2. تأكد من أن الخلية المختارة متصلة جيدا بغطاء الغطاء وأن كرات الدم الحمراء والمجالات المرجعية قد التصقت بسطح كرات الدم الحمراء وغطاء الغطاء ، على التوالي ، قبل بدء القياس. حدد بصريا الخلايا غير الملتصقة لأنها ستتحرك بمرور الوقت ، على الرغم من ارتفاع معدل الالتصاق (حوالي 80٪ -90٪).
3. إضافة دالة جيبية للسعة ، ξ 0 = 0.500 ± 0.001 ميكرومتر وترددات متفاوتة من 1 هرتز و 7 هرتز و 14 هرتز و 21 هرتز و 28 هرتز و 35 هرتز ، مع الترددات الزاوية ذات الصلة ، ω ، من 6.3 rad / s ، 169 rad / s ، 88 rad / s ، 132 rad / s ، 176 rad / s ، و 220 rad / s ، إلى برنامج المرحلة الكهرضغطية ، باستخدام برنامج كهرضغطية ، كما هو موضح سابقا ^8,9.
4. باستخدام المرحلة الكهرضغطية ، اضغط على زر البدء للسماح بالإزاحة الكهرضغطية والحفاظ على كرة كرات الدم الحمراء في المصيدة ، أرسل العينة إلى دورة من الحركات باستخدام الوظيفة الجيبية المحددة مسبقا. استخدم كاميرا قادرة على إنتاج صور بمعدل 790 إطارا / ثانية أو أعلى لتسجيل حركة العينة. يوضح الشكل 2 مخططا للتجربة.
5. أثناء تقديم العينة إلى الحركات الجيبية ، قم بتنشيط OT لاحتجاز الكرة المتصلة بسطح كرات الدم الحمراء. بغض النظر عن درجة الحرارة المختارة لإجراء التجارب ، أو درجة حرارة الغرفة ، أو 37 درجة مئوية ، أو درجة حرارة أخرى ، راقب درجة الحرارة بعناية لتجنب الاختلافات أثناء القياسات. لا يسبب ليزر الأشعة تحت الحمراء (1064 نانومتر) المستخدم لإنشاء OT أي ضرر أو تسخين للخلايا تقريبا.
تحليل
1. تحليل الصور التي تم الحصول عليها أثناء الحركات الجيبية باستخدام ImageJ للعثور على مركز موضع الكتلة لكل من المجالات بمرور الوقت.
  ملاحظة: تسمح هذه البيانات بتوليد مخططات قادرة على إظهار اختلافات الطور والسعة بين كلا المجالين. هذه المعلومات ضرورية للحصول على الاستجابة اللزجة المرنة لكرات الدم الحمراء.
2. للحصول على مركز الكتلة لكل كرة ، افتح برنامج ImageJ. استيراد الفيلم بأكمله الذي تم الحصول عليه أثناء الحركات الجيبية.
3. في علامة التبويب الصورة ، انقر فوق ضبط ، ثم حدد العتبة. سيتم فتح نافذة العتبة. حدد B&W. سيؤدي ذلك إلى تحويل الخلفية إلى اللون الأبيض والمجالات إلى اللون الأسود.
4. اضبط الحد باستخدام شريطي التمرير أسفل الرسم البياني بحيث يظهر كلا المجالين بأقصى قدر من وحدات البكسل.
5. حدد المجال المرجعي بالنقر فوق ملف > مستطيل. ارسم مستطيلا لتحديد الكرة. بعد تحديد المجال المرجعي في صورة واحدة ، تأكد من أن المستطيل يحدد أيضا نفس الكرة بشكل صحيح في جميع الصور الأخرى للفيلم.
6. ثم ، في علامة التبويب تحليل ، انقر فوق تعيين القياسات وحدد خيار مركز الكتلة .
7. انقر مرة أخرى على علامة التبويب تحليل وحدد تحليل الجسيمات. سيتم فتح نافذة جديدة. حدد الحجم والدائرية (حسب نصف قطر الكرة). حدد المربعات التالية عرض النتائج ومسح النتائج. أخيرا ، انقر فوق "موافق " لمعالجة جميع الصور.
8. ستظهر نافذة جديدة تحتوي على جدول به إحداثيات xy لمركز الكتلة. احفظ قيم الإحداثيات هذه كملف .txt. كرر الإجراء الخاص بالكرة الأخرى ، المرفقة بسطح كرات الدم الحمراء.
9. للحصول على السعة والاختلافات في الطور لكلا المجالين ، افتح برنامج التحليل. استيراد الملفات .txt التي تم الحصول عليها مسبقا.
10. إنشاء جدول جديد بثلاثة أعمدة. في العمود الأول (c0) أضف عدد الإطارات ، وفي العمود الثاني (c1) أضف إحداثيات x للكرة المرجعية ، وفي العمود الثالث (c2) ، إحداثيات x للكرة المرفقة بسطح RBC.
  ملاحظة: في هذا المثال ، نظرا لأن الحركات الجيبية تم إجراؤها فقط في المحور x ، فمن الضروري فقط استخدام إحداثيات x لكلا المجالين.
11. بعد ذلك ، اربط الإطارات بالوقت. انقر فوق Windows > إدخال الصيغة. سيتم فتح نافذة جديدة تسمى إدخال الصيغة. في هذه النافذة ، من الممكن إعداد ثماني معادلات مختلفة ، كل منها في مفتاح معين (من F1 إلى F8).
12. حدد F1 ، اكتب الصيغة التالية:
  ج 3 = ج0 / (إطارا في الثانية للكاميرا)
  انقر فوق تشغيل. سيؤدي هذا إلى إنشاء عمود جديد لفترة في الجدول (العمود 4).
13. اطرح قيمة إحداثيات x لكل إطار بالقيمة المتوسطة الخاصة به. للقيام بذلك ، قم بتعيين أي مفتاحين في إدخال الصيغة واكتب المعادلات التالية لكل مفتاح:
  ج 4 = (ج 1 - متوسط (ج 1)) و ج 5 = (ج 2 - متوسط (ج2))
  انقر فوق الزر "تشغيل ". ستظهر النتائج في العمودين 5 و 6 للإشارة ومجالات RBC ، على التوالي.
14. تحويل مركز قيم الكتلة من بكسل إلى ميكرومتر. لهذا ، استخدم مفتاحا آخر في إدخال الصيغة واكتب المعادلة التالية:
  ج 4 = ج 4 / رقم التحويل
  كرر نفس العملية للعمود 5.
  ملاحظة: يتم الحصول على التحويل باستخدام مقياس ميكرومتر / مسطرة والحصول على صورته بنفس إعداد المجهر المستخدم في القياسات (بما في ذلك نفس العدسة الموضوعية). يمكن تنفيذ هذا الإجراء أثناء معايرة المجهر. وبالتالي يتم الحصول على علاقة بكسل / ميكرومتر.
15. قم بإنشاء مخطط بمراكز كتلة كلا المجالين على المحور ص والوقت على المحور السيني. لهذا ، انقر فوق معرض > خطي ومبعثر. سيتم فتح نافذة جديدة. حدد العمود الزمني للمحور السيني وفي المحور ص حدد أعمدة مركز الكتلة بالميكرومتر لكل من المجالات المرجعية وكرات الدم الحمراء.
16. في الرسم ، حدد فقط البيانات المتعلقة بالتردد الزاوي الأول (6.3 rad / s). استخدم الأدوات المشار إليها في الشكل 3.
17. حدد المعادلة التي تضبط منحنى البيانات للمجال المرجعي. لهذا ، انقر فوق Curve Fit > General و Fit1 ، وحدد مربع البيانات المتعلقة بموضع المجال المرجعي ، ثم انقر فوق تعريف. سيتم فتح نافذة جديدة لتحديد المعادلة. يتم وصف الموضع ξ (t) للمجال المرجعي من خلال:
  ξ(t) = ξ₀cos(ωt)
  حيث ξ هي الحركة الجيبية للعينة ، ω هو التردد الزاوي و t هو الوقت في s. عند نقل هذه المعادلة إلى برنامج التحليل ، ستبدو كما يلي:
  ، حيث m1 هي ξ ، m2 هي f ، m0 هي الوقت t ، و m3 هي طور دالة جيب التمام ل t = 0.
18. تقدير قيم m1 و m2 و m3 من قطعة الأرض. بعد تحديد المعادلة ، انقر فوق موافق. سيتم تركيب البيانات بناء على المعادلة وسيظهر منحنى مع مربع صغير في الرسم البياني بقيم m1 و m2 و m3.
19. حدد المعادلة التي تضبط منحنى البيانات لمجال كرات الدم الحمراء. لهذا ، انقر فوق Curve Fit > General وحدد المعادلة التي ستضبط منحنى البيانات. يتم إعطاء الموضع ρ (t) لمجال كرات الدم الحمراء بواسطة:
  
  حيث ξ' هي خارج سعة الطور ، و φ هي زاوية خارج الطور. عند نقل هذه الصيغة إلى برنامج التحليل ، ستبدو كما يلي:
  ، حيث m1 و m2 و m3 هي القيم التي تم الحصول عليها في ملاءمة منحنى المجال المرجعي. m4 هو ξ 'و m5 هو φ.
20. تقدير قيم m4 و m5 من المؤامرة. بعد تحديد الصيغة ، انقر فوق موافق. سيتم تركيب البيانات بناء على المعادلة ، وسيظهر منحنى مع مربع صغير في الرسم البياني بقيم m4 و m5.
21. بعد ذلك ، قم بإنشاء جدول جديد لإضافة البيانات التي تم الحصول عليها من تركيب المنحنى في الأعمدة الخاصة بها. حدد خمسة أعمدة مختلفة للمعلمات التالية: التردد الزاوي ، السعة (المجال المرجعي) ، الوقت الأولي ، السعة (كرة RBC) ، وزاوية خارج الطور. نفذ نفس الإجراء لجميع الترددات الأخرى.
22. استخدم المعادلات التالية لإيجاد ثوابت التخزين (K') والفقد (K"):
  
  حيث κ OT هو ثابت مرونة _OTو β هو معامل سحب Stokes. عند نقل المعادلات إلى برنامج التحليل ، سيبدو كما يلي:
  و
  
  ، حيث يجب استبدال β وκ_OTبالقيم الموجودة في النظام.
23. ارسم النتائج على رسم بياني ، باستخدام المحور x ل K "والمحور y ل K" (الشكل 4).

6. تجربة DM وتحليلها للحصول على عامل شكل الخلية الكلي

اقتناء الفيديو
1. حرك المرحلة الكهرضغطية في الاتجاه xy باستخدام البرنامج للبحث عن خلية معزولة متصلة بغطاء الغطاء. فخ وأرفق كرة من البوليسترين ذات قطر معروف بسطح كرات الدم الحمراء. باستخدام المرحلة الكهرضغطية ، حرك الخرزة المحاصرة قليلا ، متصلة أيضا بسطح كرات الدم الحمراء ، من أجل تشويه الخلية ، ثم قم بتوصيل الخرزة بغطاء الغطاء.
  ملاحظة: من الممكن أيضا استخدام نفس الخلية من قياسات OT.
2. قم بتغيير موضع المحور z للعثور على الصورة المركزة، حيث يكون مستوى التركيز في منتصف الخلية المختارة. تعرض هذه الصورة التباين الأصغر مع المستوى الرمادي في وسط الخلية الذي يساوي المستوى الرمادي خارج الخلية (الخلفية).
3. عندما يتم إصلاح الموضع ، استخدم برنامج الكاميرا لإنشاء فيلم للخلية بأكملها بحوالي 5000 صورة بمعدل 8 بت و 256 بكسل × 256 بكسل ، بمعدل إطارات 25 إطارا في الثانية. بعد ذلك ، حرك موضع المحور z 2 ميكرومتر لأسفل أو لأعلى للحصول على صورة غير مركزة للخلية المختارة. كرر المعلمات لإنشاء فيلم لهذا الموقف.
4. أخيرا ، دون تغيير موضع المحور z ، ابحث عن منطقة بدون خلايا لتكرار نفس الإجراء وإنشاء فيلم لخلفية الصورة.
الحصول على صورة التباين
1. قم بتحويل كل فيلم من الأفلام الثلاثة إلى ثلاث صور متوسطة. باستخدام ImageJ ، حدد أحد الأفلام ، وانقر فوق Image > Stacks > Z Project واختر خيار متوسط الكثافة . كرر هذا الإجراء للأفلام الأخرى للحصول على الصور الخاصة بها.
2. قم بتغيير جميع الصور التي تم الحصول عليها من 8 بت إلى نقطة تعويم 32 بت. باستخدام ImageJ ، انقر فوق Image > Type > 32 بت. ثم ، انقر فوق تحليل > تعيين القياسات واختر خيار متوسط القيمة الرمادية . أخيرا ، انقر مرة أخرى على تحليل > القياس.
3. بعد ذلك ، انقر فوق معالجة > حاسبة الصور وقسم الصورة المركزة على صورة الخلفية. لهذه النتيجة ، اضرب متوسط قيمة المستوى الرمادي للصورة المركزة. احصل على متوسط القيمة بالنقر فوق عملية > الرياضيات > الضرب.
4. للحصول على متوسط القيمة ، اختر الصورة المركزة ، ثم انقر فوق تحليل > قياس. بالنسبة للصورة التمثيلية ، يبلغ متوسط قيمة المستوى الرمادي 69199. كرر الإجراءات المذكورة أعلاه للصورة غير المركزة. في هذه الحالة ، يبلغ متوسط قيمة المستوى الرمادي 69231. يوضح الشكل 5 الصور المركزة وغير المركزة قبل الإجراء وبعده.
5. قد تفقد الصور التباين البصري أثناء العمليات. لتصور الصور بشكل أفضل ، انقر فوق Image > ضبط > السطوع / التباين وحدد خيار تلقائي .
6. بعد ذلك ، للعثور على تباين الصورة ، استخدم العلاقة التالية:
  ، حيث N _Img هو المستوى الرمادي للخلية، وN₀ هو المستوى الرمادي خارج الخلية، وهو معلمة ثابتة تتوافق مع المستوى الرمادي لشدة الضوء الصفرية التي تعتمد على الكاميرا.
7. لإيجاد القيمة B ، استخدم مقياس الطاقة لقياس شدة الضوء. لكل قيمة لشدة الضوء ، يجب تسجيل مقطع فيديو ؛ وبالتالي ، يمكن ربط قيم الشدة المختلفة بمستويات مختلفة من اللون الرمادي. أخيرا ، احصل على ملاءمة خطية واربط B بكثافة الضوء الصفرية¹⁵.
8. ابحث عن قيمة N₀ ، وانقر على أيقونة تحديد المضلع وارسم مضلعا مثل الموجود في الشكل 6. ثم ، انقر فوق علامة التبويب تحليل وحدد قياس للعثور على متوسط المستوى الرمادي للمنطقة المحددة. تتكون كل صورة من مجموعة من وحدات البكسل ولكل بكسل مستوى رمادي معين. تتوافق مجموعة جميع المستويات الرمادية بسبب جميع وحدات البكسل التي تشكل الصورة مع N_Img.
9. استخدم معادلة التباين لتحديد N _Img - N_o وقم بتنفيذ ذلك عن طريق تحديد العملية > الرياضيات > طرح. قسم النتيجة على N₀ - B. أخيرا ، ابحث عن تباين الصورة المركزة (C 0) والصورة غير المركزة (C1).
الحصول على ملف تعريف الارتفاع
1. للحصول على ملف تعريف الارتفاع ، استخدم الطريقة^{الموضحة بالفعل 13}. باختصار ، استخدم تحويل هارتلي (FHT) للحصول على سمك كرات الدم الحمراء. في ImageJ ، انقر فوق معالجة > FFT > خيارات FFT ، ثم اختر FHT.
2. اطرح الصورتين C0 و C1 في ImageJ باستخدام العملية > الرياضيات > اطرح للحصول على الصورة للإجراء التالي ، C = C0 - C1.
3. بالنسبة للصورة C ، انقر فوق معالجة > FFT > خيارات FFT ، ثم اختر FHT لإجراء تحويل Hartley للصورة. ثم اقسم على التردد المكاني q² باستخدام المكون الإضافي المخصص DivideQ2. انقر فوق البرنامج المساعد > DivideQ2.
  ملاحظة: يجب نسخ الملف DivideQ2.class في دليل المكونات الإضافية حيث تم تثبيت ImageJ. يتم توفير المكون الإضافي كملف .class (ملف تكميلي 1) ليتم تضمينه في مجلد المكون الإضافي ل ImageJ.
4. بعد ذلك ، قم بإجراء التحويل العكسي FHT باستخدام Process > FFT > FFT للحصول على صورة بمستوى رمادي يتناسب مع ارتفاع الخلية.
5. أخيرا ، انقر فوق عملية > الرياضيات > ضرب لضرب الصورة الناتجة باستخدام الثابت التالي:
  
  والذي يتم تعريفه بناء على خصائص الصور والعينة والإعداد التجريبي¹³. هنا ، n = 1.51 هو معامل انكسار الزيت ، p = 0.0721 μm هي العلاقة بين ميكرومتر وبكسل الصور ، Δn = 0.058 هو الفرق بين RBC ومؤشرات الانكسار المتوسطة المائية ، المسافة بين صور التركيز وإلغاء التركيز ( Z f1 - Z _f2) = 2ميكرومتر ، وحجم الصور ، N 2 = 256 بكسل².
6. استخدم الصورة الناتجة للحصول على ملف تعريف الارتفاع (الشكل 7). يتم استخدام الصورة الناتجة في ImageJ لمراقبة ملفات تعريف الارتفاع المختلفة. يعتمد ذلك على مكان وضع الخط العمودي الأصفر في الخلية ، على سبيل المثال ، في الشكل 7 ، يتم الحصول على ملف تعريف ارتفاع محدود بالخط الرأسي ، لاحظ ذلك بالضغط على Ctrl + K.
عامل الشكل
1. بعد العثور على الصورة التي تحتوي على ملف تعريف ارتفاع RBC ، استخدم التباين غير البؤري 2 ميكرومتر لإنشاء مجموعة من صورتين في ImageJ. انقر فوق مكدسات > الصور ، ثم حدد الخيار صور لتكديسها. للعثور على عامل الشكل، استخدم ماكرو مخصص ل ImageJ لتحليل المكدس. يتوفر الماكرو المخصص ل ImageJ للتنزيل كملف تكميلي 2.
  ملاحظة: يستخدم البرنامج صورة إلغاء التركيز البؤري لتحديد حواف الخلية. ثم يحدد المحيط ، باستخدام الصورة التي تحتوي على ملف تعريف الارتفاع ، لكل موضع أفقي. بالإضافة إلى الحواف ، فإنه يحدد المحيط ، وكذلك معكوس المحيط. مجموع قيم المحيط العكسي ، مضروبا في سمك البكسل ، يتوافق مع معكوس عامل الشكل.
2. أدخل علاقة البكسل / الميكرومتر في البرنامج. احصل على هذه القيمة من تجربة المعايرة الموضوعية للمجهر. في المثال المستخدم ، القيمة هي 13.87 بكسل / ميكرومتر.
3. اختر موضع البداية الأفقي لوضع الخط الأصفر في الصورة الأولى للمكدس. ابدأ الخط قبل بداية الخلية وارسمه خارج الحدود الرأسية للخلية. في المثال ، يبلغ طول الخط الأصفر 153 بكسل والموضع الأولي بين i = 70 و y1 = 80 و i = 70 و y2 = 195. ثم حرك الخط الأصفر أفقيا حتى يصبح الموضع النهائي f = 245 و y1 = 80 و f = 245 و y2 = 195.
4. أخيرا ، للعثور على حواف الخلية والمحيط ومعكوس المحيط ، حدد علامة التبويب ماكرو وانقر فوق تشغيل ماكرو. سيقدم الماكرو جدولا مع موضع الحواف ومحيط المحيط ومعكوس المحيط وصورة للخلية التي تم تحليلها. تحقق مما إذا كانت حواف هذه الصورة مشابهة لحواف الشكل 7 ، وإلا كرر الإجراء.
5. استخدم مجموع معكوس المحيط لإيجاد عامل الشكل⁸.

7. نموذج الريولوجيا الزجاجية الناعمة والتحليل التجريبي

تنظيم البيانات التجريبية في جدول
1. قم بإنشاء جدول جديد في برنامج التحليل بالنقر فوق علامة التبويب ملف . حدد 10 أعمدة مختلفة (من c0 إلى c9) للمعلمات التالية: الترددات الزاوية المستخدمة (rad / s): c0 ؛ قيم K ' (pN / μm) التي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي: c1 ؛ ErrK': c2; K" (pN / μm) القيم التي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي: c3 ؛ ErrK": c4 ؛ قيم G'(Pa) التي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي: c5; ErrG': c6; G" (Pa) القيم التي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي: c7 ؛ ErrG": c8 و F_f مع الخطأ الخاص بكل منهما: c9 (الشكل 8). استخدم الصيغة التالية لتعبئة الأعمدة التالية:
  ج5 = (3 × ج1) / (8 × 1.28 × 0.087)
  C6 = (3 / (8 × 0.087 × 1.28)) × التربيعي (C2 ^ 2 + (C1 × 0.01 / 1.28) ^ 2 + (C1 × 0.008 / 0.087) ^ 2)
  ج7 = (3 × ج3) / (8 × 1.28 × 0.087)
  C8 = (3 / (8 × 0.087 × C4)) × مربع (C4 ^ 2 + (C3 × 0.01 / 1.28) ^ 2 + (C3 × 0.008 / 0.087) ^ 2)
منحنى الرسم G '(ω) مقابل G" (ω)
1. لإنشاء المنحنى G '(ω) مقابل G "(ω) في برنامج التحليل ، استخدم البيانات من الجدول السابق. انقر فوق معرض > خطي واختر تنسيق مخطط مبعثر.
2. سيتم فتح نافذة جديدة. حدد العمود G" كمحور x والعمود G كمحور ص. أخيرا ، انقر فوق الزر "رسم " للحصول على الرسم البياني.
3. لإضافة أشرطة الخطأ في المؤامرة ، انقر فوق نافذة المؤامرة ، ثم انقر فوق شريط خطأ > الرسم. سيتم فتح نافذة جديدة. أولا ، حدد خيار Y Err . سيتم فتح نافذة أخرى تسمى إعدادات شريط الخطأ .
4. انقر فوق ٪ من القيمة ، وحدد عمود البيانات ، ثم انقر فوق العمود ErrG '. أخيرا ، انقر فوق OK > Plot ، وستظهر أشرطة الخطأ لقيم y. كرر نفس الإجراء لقيم المحور x عن طريق تحديد مربع X Err والعمود الصحيح ل ErrG ". ستكون الحبكة النهائية مشابهة للمخطط الموضح في الشكل 9.
تركيب المعلمات لنموذج الريولوجيا الزجاجية الناعمة
ملاحظة: ينقسم تحليل البيانات إلى جزأين: 1) منحنى يناسب مخطط G '(ω) مقابل G" (ω) للحصول على المعلمات Γ و G_m ؛ 2) تركيب المنحنى G '(ω) و G" (ω) كدالة للتردد ω ، للحصول على الأس قانون القوة α.
1. منحنى يناسب مخطط G '(ω) مقابل G "(ω) للحصول على المعلمات Γ و G_m.
  1. انقر فوق علامة التبويب Curve Fit ، وحدد Fit1. سيتم فتح نافذة جديدة. حدد المربع وانقر على زر تحديد . ستظهر نافذة تسمى تعريف ملاءمة المنحنى العام. اكتب المعادلة التالية:
    م 1 + م 0 / م 2
    حيث m1 = 61.576 ؛ م 2 = 1 ، مع الخطأ المسموح به من 1 × ^10-5. هنا يمثل m0 G "، m1 يمثل G_m و m2 يمثل Γ.
    ملاحظة: بالنسبة ل m1 و m2 ، من الضروري تقدير قيم كل منهما أثناء تعريف ملاءمة المنحنى. استندت التقديرات أعلاه إلى مثال التجربة الموضح. في التجارب ، قم بتقدير الأرقام وفقا للقيم التي لوحظت في المؤامرة.
  2. انقر فوق الزر "موافق " في كل من النوافذ وسيظهر التركيب ، كما هو موضح في الشكل 10 - منحنى أسود. تحقق من القيم الصحيحة ل m1 و m2 ، المدرجة في جدول ملاءمة المنحنى الذي ظهر مع المؤامرة.
2. تركيب المنحنى G 'و G" كدالة للتردد الزاوي ω
  1. بعد ذلك ، قم بإنشاء مخططين آخرين ، وهما G 'كدالة ل ω و G' كدالة ل ω. ضع أشرطة الخطأ فقط على المحور ص ، كما هو موضح سابقا.
  2. كرر إجراء ملائمة المنحنى ولكن الآن في تحديدات ملاءمة المنحنى ، حدد الخيار G "، ثم في تعريف المنحنى العام > Fit ، اكتب المعادلة التالية:
    
    في هذه الحالة ، قدرت m1 بقيمة G " (ω) = 23.683 باسكال ، عندما ω = 6.3 rad / s ؛ تم تقدير m2 ليكون 0.5 (تذكر أن m2 هو الأس α ويتراوح بين 0 و 1). أدخل قيمة Γ = 2.0293 ، وفقا لنتيجة m2 في الشكل 10.
  3. حدد الخيار بيانات الوزن. بعد كل هذه الإجراءات ، انقر فوق "موافق" ، وتركيب منحنى مشابه لتلك الموجودة في الشكل 11 - سيظهر منحنى أزرق. ستظهر قيم α ، α = 0.63 ± 0.02 و G 0 ، G 0 = (3.7 ± _0.3)Pa. استخدم هذه القيم لاحتواء المنحنى التالي ، G '(ω).
  4. انقر فوق المنحنى التالي ، وكرر إجراء تركيب المنحنى ولكن الآن في تعريف منحنى الملاءمة العام ، اكتب المعادلة التالية:
    
    في هذه الحالة ، m3 هي مجرد قيمة تقديرية ل α لتأكيد القيمة التي تم الحصول عليها مسبقا. استخدم قيم G ₀ = 3.703 و G '(ω) = 23.683 Pa عندما ω = 6.3 rad / s.
  5. مرة أخرى ، أضف 1 × ^10-5 كخطأ مسموح به وحدد الخيار بيانات الوزن. بعد كل هذه الإجراءات ، انقر فوق "موافق" ، وتركيب منحنى مشابه لتلك الموجودة في الشكل 11 - سيظهر منحنى أخضر.

النتائج

يمثل الشكل 1 مخططات نظام OT المستخدم في قياسات الريولوجيا. يوضح الشكل 2 مخططات تجربة علم الريولوجيا الدقيقة مع كلا المجالين ويظهر أيضا كرات الدم الحمراء التمثيلية. يوضح الشكل 3 منحنى نموذجيا لسعة كلا الكرتين كدالة للوقت عندما تنتج الحركات الجيبية بواسطة المرحلة الكهرضغطية. بينما تتذبذب الكرة المرجعية (الشكل 3 - المنحنى الأحمر) بعد حركة المرحلة ، تتذبذب كرة RBC (الشكل 3 - منحنى أزرق) بسعة وطور مختلفين. من خلال قياس هذه المعلمات ، من الممكن تحديد الثابت المرن المعقد K * (ω) لكرات الدم الحمراء المختلفة في العينة. يوضح الشكل 4 مخططا نموذجيا لثابت مرونة التخزين K '(ω) كدالة لثابت مرونة الخسارة K "(ω). يوضح الاعتماد الخطي الملاحظ أن سطح كرات الدم الحمراء يمكن اعتباره مادة زجاجية ناعمة. بعد ذلك ، للحصول على عامل شكل الخلية الكلي ، F_f ، من الضروري إجراء DM ويتضمن الشكل 5 والشكل 6 والشكل 7 بعض الخطوات المطلوبة لهذا الغرض. بعد ذلك ، لتحويل القوى والتشوهات إلى ضغوط وسلالات ، من الضروري تحويل K * (ω) إلى G * (ω).

يتم تعريف ثابت مرونة كرات الدم الحمراء المعقد على أنه K * (ω) = K '(ω) + iK "(ω). علاوة على ذلك ، يرتبط K * (ω) بمعامل القص المركب RBC G * (ω) = G '(ω) + iG "(ω). G '(ω) و G" (ω) هي وحدات تخزين القص والخسارة RBC ، على التوالي. العلاقة بين K* (ω) و G* (ω) تعطى بالعلاقة:

figure-results-1853

حيث F_f هو عامل شكل يعتمد على هندسة كرات الدم الحمراء ، كما ذكرنا سابقا ، و ζ هو سمك غشاء RBC ، المحدد مسبقا على أنه ζ = (0.087 ± 0.009) ميكرومتر ^8,15.

علاوة على ذلك ، ترتبط وحدات قص خسارة التخزين G '(ω) و G" (ω) ، على التوالي ، بثوابت التخزين K '(ω) والخسارة K "(ω) من خلال المعادلات ^8,9

figure-results-2552 و figure-results-2644

للعثور على الأخطاء القياسية ل G '(ω) و G" (ω) و Err G 'و Err G" ، على التوالي ، استخدم انتشار معادلات عدم اليقين مع نتائج K ' (ω) و K" (ω) ، وفقا للمعادلات التالية ^8,9:

figure-results-3109
figure-results-3204 .

وفقا لنظرية الريولوجيا الزجاجية الناعمة ، تتصرف كرات الدم الحمراء مثل المواد اللزجة المرنة مثل المستحلبات والمعاجين والملاط ^8,9 ووحدات تخزينها وفقدانها تطيع المعادلات التالية:
figure-results-3563

وبالتالي ، ، حيث G _m هو معامل قص غشاء الخلية ، G 0 هو معامل تخزين التردد المنخفض ، Γ هي النسبة figure-results-3815 ، α هو الأس قانون الطاقة لنموذج الريولوجيا الزجاجية الناعمة ، figure-results-3975 و ω₀= 1 rad / s ^8,9.

تم استخدام القيم الموجودة ل F_f وكذلك سمك سطح كرات الدم الحمراء ζ (تقدر ب 87 ± 8 نانومتر⁸،⁹^،¹⁵). النتائج موضحة في الشكل 8 والشكل 9 والشكل 10. مرة أخرى ، فإن الاعتماد الخطي بين G 'و G' يتماشى مع الفرضية القائلة بأن أسطح كرات الدم الحمراء يمكن نمذجتها كمواد زجاجية ناعمة. أيضا ، من الملاءمة الخطية لهذه المؤامرة ، يمكن الحصول على قيمة G _m ، ومن خلال إدخال هذه القيمة إلى منحنى الريولوجيا الزجاجية الناعمة ل G "، يتم تحديد قيم G₀ و α (الشكل 11 - منحنى أزرق). علاوة على ذلك ، بعد استخدام النتيجة التي تم الحصول عليها ل G ₀ وإضافتها إلى منحنى الريولوجيا الزجاجي الناعم المناسب ل G '، يتم اشتقاق نفس القيمة للأس ، داخل أشرطة الخطأ (الشكل 11 - منحنى أخضر).

figure-results-5312
الشكل 1: تمثيل تخطيطي لمجهر OT. النظام بأكمله مبني على طاولة مضادة للاهتزاز. يتم محاذاة الليزر باستخدام مرآتين مختلفتين على الأقل (بيضاء) ويتم توجيهه إلى المدخل الخلفي للعدسة الموضوعية المجهرية باستخدام مرآة ثنائية اللون أخرى (أزرق فاتح). من الضروري أيضا وجود مرحلة كهرضغطية وكاميرا علمية رقمية متصلة بجهاز كمبيوتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5969
الشكل 2: مخططات تجربة علم الريولوجيا الدقيقة. يتم إرفاق الكرة المرجعية (الرمادي الداكن) بغطاء الغطاء ويتم توصيل كرة كرات الدم الحمراء (الأزرق) بسطح كرات الدم الحمراء (الأحمر) ويتم احتجازها بواسطة OT (يشار إليها بمثلثات الخوخ عند تشغيل الليزر). ρ هو موضع التوازن لمجال كرات الدم الحمراء في المصيدة ؛ ξ هي الحركة الجيبية للعينة و x هي تشوه الخلية. تم إنشاء الصورة التخطيطية في Biorender. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6723
الشكل 3: رسم يوضح السعة (ميكرومتر) لكلا المجالين بمرور الوقت (الأوقات) عندما تنتج الحركات الجيبية بواسطة المرحلة الكهرضغطية. تتذبذب الكرة المرجعية (المنحنى الأحمر) بعد حركة المرحلة ، بينما تتذبذب كرة RBC (المنحنى الأزرق) بسعة وطور مختلفين. يشير السهم الأخضر الموجود على اليمين إلى أداة تحديد البيانات بينما يشير السهم الأصفر إلى أداة تحديد التكبير/التصغير. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7421
الشكل 4: نتائج علم الريولوجيا الدقيقة RBC. قم بتخزين الثابت المرن كدالة لثابت مرونة الخسارة لكرات الدم الحمراء المختلفة في العينة (n = 10 خلايا مختلفة من ثلاث عينات مختلفة). تمثل نقاط البيانات القيم المتوسطة لكل من K ' (المحور y) و K" (المحور x) مع أشرطة الخطأ الخاصة بكل منهما (الخطأ المعياري للمتوسط) ، والتي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي مستخدم في الإعداد التجريبي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8149
الشكل 5: DM مطبق على كرات الدم الحمراء . (أ) صورة غير مركزة، الحجم = 2 ميكرومتر. (ب) الصورة في بؤرة التركيز. (ج) صورة الخلفية. بقسمة كل صورة (A) و (B) على صورة الخلفية (C) ، ثم ضربها في متوسط القيمة الرمادية لكل صورة ، يمكن الحصول على الصورتين (D) و (E). شريط المقياس: 5 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8856
الشكل 6: مستوى الخلفية الرمادي N₀. بعد فتح الصورة التمثيلية في ImageJ (A) ، حدد منطقة (شكل هندسي أصفر حول خلية RBC) المستخدمة للحصول على القيمة المتوسطة للمستوى الرمادي للخلفية والنتيجة (B). لتنفيذ التحديد الأصفر في A، استخدم أداة تحديد المضلع للصورة J (المشار إليها بسهم أخضر). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-9530
الشكل 7: ملف تعريف الارتفاع لكرات الدم الحمراء المشوهة. ملف تعريف الارتفاع (يسار) ممثل على طول الخط الأصفر الرأسي للصورة (يمين). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-10000
الشكل 8: لقطة شاشة تمثيلية لجدول نموذجي للنتائج في برنامج التحليل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-10408
الشكل 9: المعلمات اللزجة المرنة RBC. معامل القص المخزن كدالة لمعامل القص المفقود لكرات الدم الحمراء المختلفة في العينة (ن = 10 خلايا مختلفة من ثلاث عينات مختلفة). تمثل نقاط البيانات القيم المتوسطة لكل من G ' (المحور y) و G" (المحور x) ، مع أشرطة الخطأ الخاصة بكل منها (الخطأ المعياري للمتوسط) ، التي تم الحصول عليها لكل تردد زاوي مستخدم في التجارب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-11116
الشكل 10: ملاءمة منحنى G ' (Pa) كدالة ل G " (Pa). الخط الأسود الخطي هو المنحنى المناسب لنقاط البيانات. N = 10 خلايا مختلفة من ثلاث عينات مختلفة. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي للمتوسط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-11661
الشكل 11: ضبط نموذج الريولوجيا الزجاجية الناعمة على النتائج. معامل القص المعقد (G *) كدالة للتردد الزاوي ω لكرات الدم الحمراء المختلفة في العينة. تمثل الدوائر الخضراء في الرسم القيم المتوسطة ل G '، بينما تمثل الدوائر الزرقاء القيم المتوسطة ل G "، مرسومة بأشرطة الخطأ الخاصة بها. تمثل الخطوط الخضراء والزرقاء المستمرة تركيبات المنحنى لنموذج الريولوجيا الزجاجية الناعمة. يشار إلى المعلمات م 1 و م 2 و م3 في المؤامرة. بينما m 1 هو G₀ ، m 2 و m3 هما الأس ، α. N = 10 خلايا مختلفة من ثلاث عينات مختلفة. تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي للمتوسط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: البرنامج المساعد ImageJ تقسيمQ2.class. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: قام ImageJ بتخصيص ماكرو للحصول على عامل الشكل. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

في هذا البروتوكول ، يتم تقديم طريقة متكاملة تعتمد على الملقط البصري والفحص المجهري اللابؤري لرسم خريطة كمية للخصائص اللزجة المرنة لكرات الدم الحمراء. يتم تحديد نتائج وحدات قص التخزين والخسارة ، جنبا إلى جنب مع أس التحجيم الذي يميز الريولوجيا الزجاجية الناعمة لكرات الدم الحمراء. تم بالفعل تطبيق هذا البروتوكول على ظروف تجريبية مختلفة ، كما هو الحال في الحالة الفسيولوجية⁸ أو على طول كل مرحلة من مراحل P. falciparum داخل دورة كرات الدم^{الحمراء 9} .

تشير المراجع في الأدبيات إلى تناقضات في ريولوجيا كرات الدم الحمراء ، تعزى جزئيا إلى التغيرات في مورفولوجيا الخلية التي لم تؤخذ في الاعتبار بشكل صحيح أثناء القياسات ^6,7. باستخدام تشتت الضوء الديناميكي ، تم الإبلاغ عن قيم لوحدات تخزين وفقدان كرات الدم الحمراء تتراوح بين 0.01-1 باسكال ، في نطاق تردد 1-100 هرتز⁶. في دراسة أخرى ، باستخدام القياس الخلوي للالتواء المغناطيسي البصري ، تم تحديد معامل المرونة المعقد الظاهر⁷ ، لكنه تباعد عن قيم تشتت الضوء الديناميكية. وهكذا ، تم استخدام عامل مضاعف قدره 84 لأغراض المقارنة. باتباع الإجراءات الموضحة في البروتوكول الحالي ، تم توضيح هذه الاختلافات⁸ من خلال توصيف عامل شكل كرات الدم الحمراء باستخدام تقنية الفحص المجهري غير الغازية¹¹،¹²^،¹³. لا يمكن الحصول على معامل القص المعقد ، الذي يميز أسطح الخلايا ، إلا إذا تم اعتبار الهندسة^16,17 ولم يتم تنفيذ ذلك دائما بشكل صحيح.

تسمح المنهجية المتكاملة المقدمة في هذا البروتوكول بإجراء كلتا الطريقتين (قياس OT وقياس DM) لنفس الخلية المفردة ، واحدة تلو الأخرى. كما يسمح بإجراء قياسات OT لخلايا مختلفة في مجموعة سكانية ، ثم إجراء قياسات DM للخلايا الأخرى في نفس مجموعة الخلايا. من المحتمل أن يقدم الخيار الأخير مزيدا من التباين لكلتا النتيجتين ولكن يمكن نشر الأخطاء وفقا لذلك ، بحيث تربط النتائج مورفولوجيا كرات الدم الحمراء الشاملة بخصائص RBC اللزجة المرنة الإجمالية في مجموعة معينة من الخلايا المقابلة لحالة تجريبية معينة.

القيد الرئيسي لتنفيذ هذا البروتوكول هو الصعوبة الجوهرية في أداء الطريقة نفسها لأنها عبارة عن تكامل للملاقط البصرية والفحص المجهري اللابؤري ؛ وبالتالي ، فإن توافر الأدوات لأداء جميع الخطوات الموضحة يمكن أن يمثل تحديا. ومع ذلك ، إذا كان بإمكان المرء الوصول إلى منشأة OT ، فمن الأكثر جدوى تكييف المرفق في النهاية لإجراء التجارب. هذا هو المكان الذي يتناسب فيه البروتوكول الحالي ، ليس فقط تفصيل كل خطوة لإجراء القياسات والتحليل ولكن أيضا مساعدة الأشخاص على تحديد واعتماد أنظمة OT هذه بدلا من إنشاء إعداد من البداية.

أيضا ، يصبح ارتباط كرات الدم الحمراء بأغطية الغطاء عاملا مقيدا لأنها خلايا غير ملتصقة ويمكن أن تؤدي هذه الخطوات إلى صعوبات في القياسات ، حيث قد يتم فصل بعض كرات الدم الحمراء. وبالتالي ، من المهم اختيار كرات الدم الحمراء الملتصقة جيدا. يمكن أن تحدث إحدى طرق التحقق مما إذا كان الاختيار ناجحا في وقت تحضير العينة للقياس. بعد وضع كرة كرات الدم الحمراء المحاصرة ب OT على سطح الخلية ، حرك العينة قليلا للتأكد من أن الخلية ثابتة بإحكام ولم تغير موضعها بعد حبة OT المحاصرة. إذا كان الأمر كذلك ، فابحث عن خلية أخرى في العينة. يمكن أيضا إجراء تحسينات مستقبلية مثل استخدام OT ثنائي الشعاع لاحتجاز كرات الدم الحمراء في وقت واحد وإجراء قياسات الريولوجيا في نفس الوقت.

بصرف النظر عن ذلك ، فإن إمكانية استخراج المعلومات اللزجة الكمية القائمة على خلية واحدة من كرات الدم الحمراء تتيح مجموعة متنوعة من التطبيقات التي بدأت للتو في استكشافها ^8,9. وبالتالي ، يمكن توسيع الطريقة المقدمة لتوصيف السلوك الميكانيكي لكرات الدم الحمراء في ظل ظروف فيزيائية مرضية أخرى مثل فقر الدم الناجم عن نقص الحديد والسكري أو في أمراض الدم الوراثية مثل مرض الخلايا المنجلية والثلاسيميا ، على سبيل المثال. قد توفر هذه الأداة المتكاملة الأساس لتطوير طرق تشخيص جديدة قادرة على ربط التغيرات في خصائص RBC اللزجة المرنة بالتعديلات في تدفق الدم للأفراد الذين يعانون من أمراض مختلفة.

Disclosures

ليس للمؤلفين أي مصالح مالية في المنتجات الموصوفة في هذه المخطوطة وليس لديهم أي شيء آخر يفصحون عنه.

Acknowledgements

يود المؤلفون أن يشكروا جميع أعضاء مرفق الفحص المجهري المتقدم CENABIO للمساعدة المهمة للغاية. وحظي هذا العمل بدعم الوكالات البرازيلية "المجلس الوطني للتنمية المدنية والتكنولوجية (CNPq)، والمجلس الوطني لإنفاذ الحقوق الدستورية (CAPES) - القانون المالي رقم 001، ومؤسسة إنفاذ الحقوق الدستورية في مجال التنمية في ولاية ريو دي جانيرو، والمعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا في فلويدوس كومبلكس، جنبا إلى جنب مع مؤسسة إنفاذ الحقوق الدستورية (PESPI) جنبا إلى جنب مع مؤسسة إنفاذ الحقوق الدستورية (Pesquisa do Estado de São Paulo). تم دعم BP بمنحة JCNE من FAPERJ.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
35mm culture dishes	Corning	430165
Bovine serum albumin	Sigma-Aldrich	A9418
Coverslips	Knittel Glass	VD12460Y1A.01 and VD12432Y1A.01
Glass-bottom dishes	MatTek Life Sciences	P35G-0-10-C
Glucose	Sigma-Aldrich	G7021
ImageJ	NIH	https://imagej.nih.gov/ij/
Immersion oil	Nikon	MXA22165
Inverted microscope	Nikon	Eclipse TE300
KaleidaGraph	Synergy Software	https://www.synergy.com/
KCl	Sigma-Aldrich	P5405
KH₂PO₄	Sigma-Aldrich	P5655
Microscope camera	Hamamatsu	C11440-10C
Na₂HPO₄	Sigma-Aldrich	S5136
NaCl	Sigma-Aldrich	S5886
Neubauer chamber	Sigma-Aldrich	BR717805-1EA
Objective lens	Nikon	PLAN APO 100X 1.4 NA DIC H; PLAN APO 60x 1.4 NA DIC H and Plan APO 10x XXNA PH2
Optical table	Thorlabs	T1020CK
OT laser	IPG Photonics	YLR-5-1064-LP
Polystyrene microspheres	Polysciences	17134-15
rubber ring	Forever Seals	NBR O-Ring
Silicone grease	Dow Corning	Z273554
Stage positioning	PI	P-545.3R8S
Pipette	Gilson	P1000

References

Fowler, V. M. The human erythrocyte plasma membrane: a Rosetta Stone for decoding membrane-cytoskeleton structure. Current Topics in Membranes. 72, 39-88 (2013).
Tomaiuolo, G. Biomechanical properties of red blood cells in health and disease towards microfluidics. Biomicrofluidics. 8 (5), 051501 (2014).
Depond, M., Henry, B., Buffet, P., Ndour, P. A. Methods to investigate the deformability of RBC during malaria. Frontiers in Physiology. 10, 1613 (2019).
Boal, D. . Mechanics of the Cell. 2 edn. , (2012).
Balland, M., et al. Power laws in microrheology experiments on living cells: Comparative analysis and modeling. Physical Review E. 74 (2), 021911 (2006).
Amin, M. S., et al. Microrheology of red blood cell membranes using dynamic scattering microscopy. Optics Express. 15 (25), 17001-17009 (2007).
Puig-de-Morales-Marinkovic, M., Turner, K. T., Butler, J. P., Fredberg, J. J., Suresh, S. Viscoelasticity of the human red blood cell. American Journal of Physiology Cell Physiology. 293 (2), 597-605 (2007).
Gomez, F., et al. Effect of cell geometry in the evaluation of erythrocyte viscoelastic properties. Physical Review E. 101 (6-1), 062403 (2020).
Gomez, F., et al. Plasmodium falciparum maturation across the intra-erythrocytic cycle shifts the soft glassy viscoelastic properties of red blood cells from a liquid-like towards a solid-like behavior. Experimental Cell Research. 397 (2), 112370 (2020).
Pompeu, P., et al. Protocol to measure the membrane tension and bending modulus of cells using optical tweezers and scanning electron microscopy. STAR Protocols. 2 (1), 100283 (2021).
Agero, U., Mesquita, L. G., Neves, B. R., Gazzinelli, R. T., Mesquita, O. N. Defocusing microscopy. Microscopy Research and Technique. 65 (3), 159-165 (2004).
Agero, U., Monken, C. H., Ropert, C., Gazzinelli, R. T., Mesquita, O. N. Cell surface fluctuations studied with defocusing microscopy. Physical Review E. 67 (5), 051904 (2003).
Roma, P. M. S., Siman, L., Amaral, F. T., Agero, U., Mesquita, O. N. Total three-dimensional imaging of phase objects using defocusing microscopy: Application to red blood cells. Applied Physics Letters. 104 (25), 251107 (2014).
Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal of the Royal Microscopical Society. 14, 261-262 (1894).
Nans, A., Mohandas, N., Stokes, D. L. Native ultrastructure of the red cell cytoskeleton by cryo-electron tomography. Biophysical Journal. 101 (10), 2341-2350 (2011).
Ayala, Y. A., et al. Rheological properties of cells measured by optical tweezers. BMC Biophysics. 9, 5 (2016).
Ayala, Y. A., et al. Effects of cytoskeletal drugs on actin cortex elasticity. Experimental Cell Research. 351 (2), 173-181 (2017).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

181

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: