镰状细胞病最常见的并发症之一发生在变形的红细胞聚集在一起，阻塞微小血管并在受影响的身体部位引起剧烈疼痛和肿胀。

麻省理工学院的一项新研究揭示了这些被称为血管闭塞性疼痛危象的事件是如何产生的。这些发现也代表着能够预测何时可能发生此类危机的一步。

“这些痛苦的危机非常难以预测。从某种意义上说，我们理解它们为什么会发生，但我们还没有一种好的方法来预测它们，”麻省理工学院材料科学与工程系主要研究科学家Ming Dao说。和该研究的资深作者之一。

研究人员发现，这些疼痛事件最有可能是由未成熟的红细胞产生的，称为网织红细胞，更容易粘在血管壁上。

新加坡南洋理工大学校长，麻省理工学院前工程学院院长，Vannevar Bush工程名誉教授Subra Suresh也是该研究的高级作者，该研究于9月出现在美国国家科学院院刊上。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后Dimitrios Papageorgiou和前博士后Sabia Abidi。

模拟血流量

患有镰状细胞病的患者在编码血红蛋白的基因中有一个突变，血红蛋白是一种允许红细胞携带氧气的蛋白质。这会产生畸形的红细胞：细胞变成镰刀状，而不是特征性的圆盘状，特别是在低氧条件下。患者经常患有贫血症，因为异​​常的血红蛋白不能携带足够的氧气，以及通常用阿片类药物或其他药物治疗的血管闭塞性疼痛危象。

为了探究红细胞如何与血管相互作用以引发血管闭塞性危象，研究人员建立了一种专门的微流体系统，模拟后毛细血管，将脱氧血液从毛细血管中带走。这些直径约10-20微米的血管最容易发生血管闭塞。

微流体系统旨在让研究人员控制氧气水平。他们发现，当氧气非常低或处于缺氧状态时，与毛细血管后血管相似，镰状红细胞粘附在血管壁上的可能性比正常氧气水平高2到4倍。

当氧气含量低时，镰状细胞内的血红蛋白形成僵硬的纤维，生长并向外推动细胞膜。这些纤维还有助于细胞更牢固地粘附在血管内壁上。

“在缺氧情况下，为什么会有更多的附着力，因此几乎没有理解，”Suresh说。“这项研究的实验为增加粘附力的过程和机制提供了一些关键的见解。”

研究人员还发现，在患有镰状细胞病的患者中，称为网织红细胞的未成熟红细胞最有可能粘附在血管上。这些年轻的镰状红细胞，刚从骨髓中释放出来，比成熟的红细胞携带更多的细胞膜表面积，使它们能够产生更多的粘附位点。

“我们观察到镰状血红蛋白纤维的生长在几分钟内拉伸网状细胞，”Papageorgiou说。“看起来他们正试图抓住更多的表面，并更强烈地坚持。”

患者预测

研究人员现在希望设计一个更完整的血管闭塞模型，将他们关于粘连的新发现与以前的工作结合起来，在这些工作中，他们测量了镰状细胞患者血细胞变硬的时间，使他们更容易阻止血液流动。微小的血管。并非所有患有镰状细胞病的患者都会出现血管闭塞，并且患者之间的发作频率差异很大。麻省理工学院的研究人员希望他们的研究结果可以帮助他们设计一种方法来预测个体患者的这些危机。

“血细胞粘附确实是一个非常复杂的过程，我们不得不开发基于这种微流体实验的新模型。这些粘附实验和缺氧条件下镰状红细胞的相应模拟是定量和独特的，”应用教授George Karniadakis说。布朗大学的数学和该研究的资深作者。

该研究由美国国立卫生研究院资助。