PNAS︱清华大学机械系微流控课题组发现红细胞疲劳溶血机制

撰文︱潘云帆

责编︱方以一，王思珍

编辑︱杨彬薇

溶血（hemolysis）是红细胞破裂，血红蛋白逸出的现象，它会导致贫血、肺动脉高压和胆结石等疾病，严重威胁患者生命^[1]。机械循环支持装置中（如体外膜氧合(ECMO)）的溶血也非常令人担忧^[2-4]。众所周知，当血流的剪切应力非常高时，溶血会瞬时发生。因此，通常在循环支持装置中需要限制剪切应力的阈值以避免高剪切力下的溶血。尽管如此，在ECMO中溶血现象仍会时常发生，而其原因至今未明。当我们把目光聚焦到ECMO中的红细胞时，会发现这些红细胞需要不断流过中空纤维间的微尺度间隙，它们将经历每秒数百次循环挤压。因此，了解周期性挤压对红细胞破裂的影响，对于揭示红细胞的溶血机制和提高循环支持设备的安全性至关重要。

2022年12月1日，清华大学机械系微流控课题组在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上发表了题为“Fatigue of red blood cells under periodic squeezes in ECMO”的研究。该研究发现在低剪切高频率的剪切下，红细胞会发生溶血，且会经历棘形化-球形化的典型疲劳过程。研究还揭示了这种疲劳导致溶血的机械-生化联合作用机制：机械作用的周期将影响细胞释放和生成ATP的速度，并进而导致细胞膜与骨架连接的变形和破坏。研究工作对于深入理解溶血现象，以及改进血泵、瓣膜等植介入器械的设计有重要作用。

研究人员首先采集了体外膜肺氧合患者临床血液标本，在血液样本中观察到除了正常双凹形态的红细胞以外（图1a），还发现了棘形（图1b）和球形（图1c）的异常形态红细胞，并且随着治疗时间的增加，异常红细胞在血液中的比例逐渐上升，病人出现了游离血红蛋白浓度缓慢升高的溶血现象。通常认为溶血是由高剪切应力导致的，很少有研究将其归因于红细胞由于周期性挤压而产生的细胞疲劳。然而，高剪切诱导的红细胞溶血会瞬时发生，这不能解释游离血红蛋白浓度逐渐增加和红细胞形态的渐进变化的现象。因此，红细胞在周期性挤压下的累积疲劳可以合理解释是该溶血现象。

图1 红细胞疲劳过程的典型形态（a）正常双凹红细胞（b）棘形红细胞（c）球形红细胞

（图源：Pan, Y, et al., PNAS, 2022）

接着，研究人员设计微流控装置模拟体外膜肺氧合中循环挤压红细胞的生理过程，并通过高速相机捕获到了形态的变化，研究发现红细胞疲劳过程分为双凹、棘形、球形和破裂溶血四个阶段（图2）。随着其形态变化，挤压红细胞的变形性降低，杨氏模量增加，这与大多数工程材料在其疲劳过程中发生的典型变化类似。因此，在周期性挤压下，红细胞确实存在疲劳过程导致溶血，这种溶血过程不同于由高剪切应力引起的瞬间溶血。

图2 红细胞的疲劳示意图

（图源：Pan, Y, et al., PNAS, 2022）

研究团队进一步研究发现这种疲劳导致溶血的机制主要取决于红细胞在周期性剪切作用下的ATP释放和恢复速度（图3）。红细胞在每次挤压下的变形和恢复都伴随着三磷酸腺苷（ATP）的释放和恢复。当ATP释放量大于恢复量时，ATP的消耗导致细胞膜和细胞骨架之间的带3-锚蛋白键解离，红细胞发生形态改变并逐渐失去变形性，随后红细胞发生溶血。

图3 红细胞疲劳的生理机制

（图源：Pan, Y, et al., PNAS, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究揭示了低应力高频率挤压会诱导红细胞疲劳，其典型表现是红细胞形态的改变，形态变化的原因是红细胞内ATP的消耗导致细胞膜和骨骼之间的带3-锚蛋白键解离。研究建立了红细胞在周期性挤压和变形控制下疲劳的经验模型，揭示了由挤压频率控制的溶血方式。这一发现为溶血机制带来了新的见解，并有助于改进循环支持设备的设计。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2210819119

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] G. Moore, G. Knight, A. D. Blann, Haematology (Oxford University Press, ed. 2, 2016), pp. 315–335.

[2] L. Vercaemst, Hemolysis in cardiac surgery patients undergoing cardiopulmonary bypass: A review in search of a treatment algorithm. J. Extra. Corpor. Technol. 40, 257–267 (2008).

[3] D. C. Williams et al., Circuit oxygenator contributes to extracorporeal membrane oxygenation-induced hemolysis. ASAIO J. 61, 190–195 (2015).

[4] K. I. Greenberg, M. J. Choi, Hemodialysis emergencies: Core curriculum 2021. Am. J. Kidney Dis.77, 796–809 (2021).

本文完