RU2307353C1

RU2307353C1 - Method of determining dynamic characteristics of red blood cells

Info

Publication number: RU2307353C1
Application number: RU2006113540/15A
Authority: RU
Inventors: Станислав Дмитриевич Захаров (RU); Станислав Дмитриевич Захаров
Original assignee: Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-09-27

Abstract

FIELD: medical diagnostics methods.

SUBSTANCE: erythrocyte suspension is repetitively passed through closed circuit with narrow clearance and erythrocyte deformability index is recorded. Reading is made immediately after introduction of suspension into circuit and some time, τ, later, after which coefficient of shear stability of red blood cells η is calculated from formula: η=τ/(ε₀-ε_τ), wherein εo is erythrocyte deformability index value read immediately after introduction of suspension into circuit, ετ deformability index value read some time, τ, later, and τ is time during which deformability index of healthy man erythrocytes remains unchanged. Method is applicable in resuscitation, cardiovascular surgery, therapeutical, traumatizing, and catastrophe medicine departments.

EFFECT: increased accuracy of determining individual resistance of red blood cells against mechanical actions and enabled determination of degree of sub-hemolytic traumatizing of red blood cells in cases of various disorders in blood microcirculation system and/or use of extracorporal blood circulation apparatuses.

2 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к методам медицинской диагностики.The invention relates to medicine, in particular to methods of medical diagnosis.

Известно, что красные клетки крови (эритроциты) человека за свой срок жизни (120 дней) совершают примерно 3·10⁵ проходов сквозь капиллярную сеть, подвергаясь там значительным сдвиговым деформациям. Воздействие неблагоприятных факторов приводит к ослаблению механической устойчивости эритроцитов. Они теряют эластичность и преждевременно разрушаются, отравляя организм токсичными продуктами своего распада (гемолиза). Подобные явления наблюдаются при ряде заболеваний, а также после пропускания крови через оксигенаторы, диализаторы, аппараты искусственного кровообращения [1]. Оценка способности эритроцитов противостоять механическим воздействиям производится посредством приложения к клеткам в разбавленной суспензии тестовой сдвиговой нагрузки в центрифугах, вискозиметрах, микрофильтрационных устройствах, реоскопах [2] и последующего измерения степени гемолиза каким-либо из известных методов.It is known that red blood cells (red blood cells) of a person during their lifetime (120 days) make about 3 · 10 ⁵ passes through the capillary network, undergoing significant shear deformations there. Exposure to adverse factors leads to a weakening of the mechanical stability of red blood cells. They lose their elasticity and prematurely collapse, poisoning the body with toxic products of their decay (hemolysis). Similar phenomena are observed in a number of diseases, as well as after passing blood through oxygenators, dialyzers, heart-lung machines [1]. Evaluation of the ability of red blood cells to withstand mechanical stresses is carried out by applying to the cells in a diluted suspension of test shear load in centrifuges, viscometers, microfiltration devices, rheoscopes [2] and subsequent measurement of the degree of hemolysis using any of the known methods.

Недостатками этого способа являются невысокая чувствительность и точность, а также значительная трудоемкость, ввиду чего он применяется исключительно в исследовательских целях. Развитие гемолиза уже свидетельствует о необратимых повреждениях эритроцитарной мембраны, тогда как врачи заинтересованы в выявлении ранних стадий ослабления механической стойкости, т.н. субгемолитической травмы эритроцитов [1]. Несмотря на многократные попытки разработчиков медицинской аппаратуры, для лечебных учреждений такая диагностика до сих пор остается недоступной.The disadvantages of this method are the low sensitivity and accuracy, as well as the considerable complexity, which is why it is used exclusively for research purposes. The development of hemolysis already indicates irreversible damage to the erythrocyte membrane, while doctors are interested in identifying the early stages of weakening of mechanical resistance, the so-called subhemolytic trauma of red blood cells [1]. Despite repeated attempts by developers of medical equipment, such diagnostics are still unavailable for medical institutions.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является ротационная вискозиметрия [1].The closest analogue (prototype) of the claimed invention is a rotational viscometry [1].

В способе-прототипе [1, стр.70] суспензию исследуемых эритроцитов вводят в узкую щель (зазор) между плоской пластиной и конусом. Поверхности, контактирующие с суспензией, отполированы. Угол раствора конуса близок к 120° (немного меньше). Когда с помощью электропривода конус приводится во вращение, в зазоре возникает сдвиговое течение. В результате эритроциты подвергаются механической нагрузке, пропорциональной скорости вращения, и через некоторое время начинается гемолиз. Степень гемолиза измеряют оптическим (спектрометрическим) методом по концентрации гемоглобина, вышедшего из эритроцитов в буферный раствор. Если фиксировать продолжительность воздействия, то механически менее стойкие эритроциты будут разрушаться быстрее. Методом сравнения можно судить о механической устойчивости клеток у разных пациентов.In the prototype method [1, p. 70], a suspension of the studied red blood cells is introduced into a narrow gap (gap) between a flat plate and a cone. Surfaces in contact with the suspension are polished. The cone angle is close to 120 ° (slightly less). When the cone is rotated by means of an electric drive, a shear flow arises in the gap. As a result, red blood cells are subjected to a mechanical load proportional to the speed of rotation, and after some time hemolysis begins. The degree of hemolysis is measured by the optical (spectrometric) method by the concentration of hemoglobin released from the red blood cells into the buffer solution. If you fix the duration of exposure, then mechanically less resistant red blood cells will break down faster. The comparison method can be used to judge the mechanical resistance of cells in different patients.

Недостатками такого способа являются низкая чувствительность, малая точность, невозможность оценить степень структурных нарушений эритроцитарной мембраны на догемолизной стадии.The disadvantages of this method are low sensitivity, low accuracy, the inability to assess the degree of structural disorders of the erythrocyte membrane at the pre-hemolysis stage.

Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности и точности определения индивидуальной устойчивости эритроцитов к механическим воздействиям.The task of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of determining the individual resistance of red blood cells to mechanical stress.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Суспензию исследуемых эритроцитов заливают в контур рециркуляции, снабженный перистальтическим насосом. В контур встроена плоская прозрачная кювета с узким зазором, имитирующая кровеносный капилляр. Входя в сужение, эритроциты подвергаются сдвиговой нагрузке и деформируются одинаковым образом. Показатель деформируемости эритроцитов ε весьма чувствителен к нарушениям в структуре их мембраны и может быть измерен оптическим (дифракционным) методом [3]. Поскольку эритроциты при каждом обороте по контуру подвергаются воздействию значительных сдвиговых напряжений, их деформируемость рано или поздно начинает снижаться. У практически здоровых людей это снижение начинается примерно в одно и то же время τ и, очевидно, позже, нежели у пациентов с нарушениями в системе кровообращения. Значение τ определяют предварительно, и тогда можно судить об относительной устойчивости клеток у любого пациента: чем меньше разность между значениями показателя деформируемости эритроцитов ε в начале и в конце базового периода τ, тем выше механическая стойкость клеток. Напротив, большая разность свидетельствует о низкой устойчивости эритроцитов.The solution to this problem is achieved as follows. A suspension of the studied red blood cells is poured into a recirculation circuit equipped with a peristaltic pump. A flat transparent cuvette with a narrow gap imitating a blood capillary is built into the circuit. Entering narrowing, red blood cells are subjected to shear load and are deformed in the same way. The erythrocyte deformability index ε is very sensitive to abnormalities in the structure of their membrane and can be measured by the optical (diffraction) method [3]. Since red blood cells are subjected to significant shear stresses during each revolution along the contour, their deformability begins to decrease sooner or later. In practically healthy people, this decrease begins at about the same time τ and, obviously, later than in patients with circulatory disorders. The value of τ is determined previously, and then one can judge the relative stability of the cells in any patient: the smaller the difference between the values of the deformability index of erythrocytes ε at the beginning and at the end of the base period τ, the higher the mechanical resistance of the cells. On the contrary, a large difference indicates a low resistance of red blood cells.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Заполняют контур рециркуляции физиологическим раствором, вводят туда пробу периферической или венозной крови пациента и определяют значения показателя деформируемости эритроцитов ε после ввода пробы (ε₀) и спустя базисное время τ(ε_τ). Стойкость красных клеток в условиях действия сдвиговых нагрузок рассчитывают как коэффициент сдвиговой устойчивости эритроцитов по предложенной автором формуле:The inventive method is as follows. The recirculation loop is filled with physiological saline, a patient’s peripheral or venous blood sample is injected there, and erythrocyte deformability index ε is determined after the injection of the sample (ε ₀ ) and after the base time τ (ε _τ ). The resistance of red cells under shear conditions is calculated as the coefficient of shear stability of red blood cells according to the formula proposed by the author:

,

где ε₀ - значение показателя деформируемости, определяемое после внесения клеточной суспензии в контур рециркуляции,where ε ₀ is the value of the deformability index, determined after introducing the cell suspension into the recirculation loop,

ε_τ - значение показателя деформируемости, определяемое спустя время τ.ε _τ is the value of the deformability index, determined after time τ.

Коэффициент η имеет простой физический смысл - это характерное время жизни эритроцитов в контуре рециркуляции до начала гемолиза.Coefficient η has a simple physical meaning - this is the characteristic lifetime of red blood cells in the recirculation loop before hemolysis begins.

Способ поясняется следующим примером. Оперативный контроль состояния эритроцитов у больных, перенесших острый инфаркт миокарда (ОИМ). Предварительно определенное значение τ оказалось равным 5 минутам. Фактически уловить момент, когда величина ε_τ начнет уменьшаться по сравнению с начальным значением ε₀ можно не точнее инструментальной погрешности измерений δ=0,01; поэтому для практически здорового человека η принято равным 500 мин (норма). В различных патологических состояниях η тем меньше, чем значительнее структурные нарушения в эритроцитарной мембране. Экспериментально-клинические исследования проводились в клинике г.Тарту, Эстония под руководством доцента Р.В.Тээсалу. Исследовались т.н. слепым методом динамические характеристики эритроцитов из пробы венозной крови у трех пациентов (мужчин), перенесших ОИМ. Первый раз измерения были выполнены на следующие сутки после инфаркта, последующие - через день. На чертеже (а) показан временной ход начальной деформируемости ε₀, а (б) - коэффициент сдвиговой устойчивости эритроцитов η для этих больных, а также для практически здорового волонтера (кривые 1, контроль). Кривые 2 получены для пациента с неосложненным трансмуральным инфарктом передней стенки предсердия, кривые 3 - для пациента с многоочаговым инфарктом задней стенки, кривые 4 - для пациента с обширным инфарктом миокарда. Оказалось, что чем обширнее поражение сердечной мышцы, тем сильнее, наряду с уменьшением ε₀ (чертеж, а), падает коэффициент сдвиговой устойчивости η (чертеж, б). В то же время у волонтера параметры оставались в пределах нормы (η=500). При последующем сопоставлении полученных данных с клиническими показателями для данной группы больных было констатировано соответствие оценкам тяжести заболеваний, сделанным лечащими врачами.The method is illustrated by the following example. Operational monitoring of the state of red blood cells in patients after acute myocardial infarction (AMI). The predefined value of τ turned out to be 5 minutes. In fact, to catch the moment when the value of ε _τ begins to decrease compared with the initial value of ε ₀ can be no more accurate instrumental measurement error δ = 0.01; therefore, for a practically healthy person, η is taken equal to 500 min (normal). In various pathological conditions, η is the smaller, the greater the structural disturbances in the erythrocyte membrane. Experimental and clinical studies were conducted in a clinic in Tartu, Estonia under the supervision of Associate Professor R.V. Teesalu. The so-called using the blind method, the dynamic characteristics of red blood cells from a venous blood sample in three patients (men) who underwent AMI. The first time the measurements were performed on the next day after a heart attack, the next - a day later. Figure (a) shows the time course of the initial deformability ε ₀ , and (b) shows the shear stability coefficient of erythrocytes η for these patients, as well as for a practically healthy volunteer (curves 1, control). Curves 2 were obtained for a patient with uncomplicated transmural infarction of the anterior atrial wall, curves 3 for a patient with multi-focal infarction of the posterior wall, curves 4 for a patient with extensive myocardial infarction. It turned out that the wider the damage to the heart muscle, the stronger, along with a decrease in ε ₀ (drawing, a), the shear stability coefficient η decreases (drawing, b). At the same time, the parameters of the volunteer remained within the normal range (η = 500). A subsequent comparison of the obtained data with the clinical indicators for this group of patients revealed compliance with the estimates of the severity of the diseases made by the attending physicians.

Таким образом, заявляемый способ впервые решает задачу определения степени субгемолитического травмирования эритроцитов при различных нарушениях в системе микроциркуляции крови и/или использовании аппаратов экстракорпорального кровообращения, что дает основания считать его перспективным для применения в клиниках.Thus, the inventive method for the first time solves the problem of determining the degree of subhemolytic injury of red blood cells with various disorders in the blood microcirculation system and / or the use of extracorporeal blood circulation devices, which gives reason to consider it promising for use in clinics.

ЛитератураLiterature

1. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. М., Медицина, 1982. Стр.224-229, стр.70-72 - прототип.1. Levtov V.A., Regirer S.A., Shadrina N.Kh. Blood rheology. M., Medicine, 1982. Pages 224-229, pages 70-72 - prototype.

2. Сторожок С.А., Санников А.Г., Захаров Ю.М. Молекулярная структура мембран эритроцитов и их механические свойства. Тюмень, изд. Тюм. Гос. Университета, 1997. С.75-104.2. Storozhok S.A., Sannikov A.G., Zakharov Yu.M. The molecular structure of erythrocyte membranes and their mechanical properties. Tyumen, ed. Tyum. Gos. University, 1997. S.75-104.

3. Захаров С.Д., Иванов А.В. и др. Структурные перестройки в водной фазе клеточных суспензий и белковых растворов при светокислородном эффекте. Квантовая электроника, т.33, 149-162 (2003).3. Zakharov S.D., Ivanov A.V. et al. Structural rearrangements in the aqueous phase of cell suspensions and protein solutions with the light-oxygen effect. Quantum Electronics, vol. 33, 149-162 (2003).

Claims

A method for determining the dynamic characteristics of blood red blood cells, which consists in repeatedly passing a suspension of red blood cells through a closed circuit with a narrow gap and recording changes in their parameters, characterized in that they record the deformability of red blood cells, and registration is carried out immediately after the suspension is introduced into the circuit ε ₀ and after a time τ ε _τ , and then determine the coefficient of shear stability of erythrocytes η by the formula

where ε ₀ is the value of the deformability index, determined immediately after the suspension is introduced into the circuit;

ε _τ is the value of the deformability index, determined after time τ;

τ is the time during which the erythrocyte deformability index of a healthy person in the circuit remains unchanged.