Альманах клинической медицины. 2018; 46: 765-771
Трансляционные исследования электрофоретической подвижности и фазового портрета эритроцитов с учетом развития стрессовой реакции в условиях патологического процесса
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2018-46-8-765-771Аннотация
Актуальность. Современные методы клеточной диагностики востребованы при разработке новых подходов персонализированной медицины. К таким методам, активно внедряемым в диагностический процесс лечебных учреждений, можно отнести когерентную фазовую интерферометрию и клеточный микроэлектрофорез.
Цель – обоснование возможности использования биофизических и морфоденситометрических показателей эритроцитов в качестве критериев эффективности терапии и развития адаптационных процессов у пациентов с гастроэнтерологическими заболеваниями.
Материал и методы. Под наблюдением находились 25 больных в возрасте от 40 до 54 лет (11 мужчин и 14 женщин), из них 9 (36%) – с язвенной болезнью желудка, 3 (12%) – с язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки, 8 (32%) – с острым гастритом, 5 (20%) – с острым панкреатитом. Биофизические и морфологические особенности эритроцитов периферической крови пациентов исследовали до и после проведения терапии с использованием методов клеточной диагностики – микроэлектрофореза и лазерной модуляционной интерференционной микроскопии. Параллельно оценивали динамику рутинных клинико-лабораторных показателей: количество эритроцитов и лейкоцитов, уровень гемоглобина, скорость оседания эритроцитов (СОЭ), лейкоцитарную формулу. Контрольную группу составили 10 здоровых доноров в возрасте от 36 до 52 лет. В экспериментах in vitro анализировали изменения электрофоретической подвижности эритроцитов (ЭФПЭ) и морфологии эритроцитов при действии адреналина и кортизола.
Результаты. После проведения терапии у больных наблюдалось уменьшение содержания лейкоцитов (на 27%), повышение моноцитов (в 2 раза) и снижение СОЭ (на 10%) относительно показателей до лечения (p < 0,05 во всех случаях). ЭФПЭ увеличивалась на 12% (1,37 против 1,22 мкм × см/В × с, p < 0,05). В эритроцитарной популяции обследованных пациентов до лечения по сравнению с контрольной группой отмечалось уменьшение доли дискоцитов (85,2 против 95,4%, р < 0,05), увеличение эхиноцитов, стоматоцитов и дегенеративно измененных форм (11, 2,8 и 1% соответственно, р < 0,05). После терапии содержание дискоцитов повышалось практически до физиологической нормы (91,3%). Однако при этом поверхность клеток дискоидной формы оставалась неоднородной с наличием многочисленных микроспикул, что нашло отражение в изменении электрокинетических и морфологических свойств эритроцитов в ответ на развивающуюся в организме стресс-реакцию. Влияние стресс-реализующих систем подтверждено экспериментами in vitro по оценке воздействия адреналина (1 × 10-9 г/мл) и кортизола (5 × 10-7 г/мл) на эритроциты. К 120-й минуте эксперимента под влиянием адреналина наблюдалось снижение ЭФПЭ (1,14 против исходных 1,24 мкм × см/В × с, р < 0,05) и увеличение сферичности клеток. При действии кортизола, напротив, ЭФПЭ увеличивалась (1,72 против 1,36 мкм × см/В × с, р < 0,05), но выраженность эхиноцитарной трансформации была незначительной.
Заключение. Биофизические и морфоденситометрические показатели эритроцитов, полученные с использованием современных экспресс-методов клеточного микроэлектрофореза и когерентной интерференционной микроскопии, объективно отражают интенсивность стресс-реакции при развитии патологического процесса и включение адаптационных механизмов в ходе проводимой терапии.
Список литературы
1. Пальцев МА, Белушкина НН. Трансляционная медицина – новый этап развития молекулярной медицины. Молекулярная медицина. 2012;(4):3–6.
2. Колбин АС, Гапешин РА, Малышев СМ. Современные подходы к организации трансляционных исследований. Педиатрическая фармакология. 2014;11(3):15–9. doi: 10.15690/pf.v11i3.1002.
3. Popescu G, Park Y. Quantitative phase imaging in biomedicine. J Biomed Opt. 2015;20(11): 111201. doi: 10.1117/1.JBO.20.11.111201.
4. Федин АИ, Василенко ИА, Бадалян КР. Влияние холестерина на электрокинетические свойства мембран эритроцитов при хронической ишемии головного мозга. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2015;115(9–2):30–7.
5. Antipenko EA, Deryugina AV, Gustov AV. Effects of nonspecifc cytoprotective treatment on stress resistance and compensatory potential in patients with chronic cerebral ischemia. Neurosci Behav Physi. 2017;47(7):817–20. doi: 10.1007/s11055-017-0474-3.
6. Бояринов ГА, Дерюгина АВ, Яковлева ЕИ, Зайцев РР, Шумилова АВ, Бугрова МЛ, Бояринова ЛВ, Филиппенко ЕС, Соловьева ОД. Фармакологическая коррекция микроциркуляции у крыс, перенесших черепно-мозговую травму. Цитология. 2016;58(8):610–7.
7. Крылов ВН, Дерюгина АВ, Плескова СН. Электрофоретическая подвижность и морфометрия эритроцитов крыс при стрессовых воздействиях. Современные технологии в медицине. 2010;(4):23–6.
8. Стародумов ВЛ, Калинина НГ, Горбунов ВА. Состояние мембран эритроцитов как индикатор воздействия свинца окружающей среды. Вестник Ивановской медицинской академии. 2013;18(4):16–9.
9. Сашенков СЛ, Алачева ЛВ. Оценка реактивности периферического отдела эритрона у детей с воспалительными заболеваниями органов дыхания. Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2014;(6):123–31.
10. Veshapidze N, Chigogidze T, Managadze L, Gabunia N, Kotrikadze N. Dynamics of the structural and electrical characteristics of erythrocytes in men with metastatic adenocarcinoma of the prostate before and after plastic orchiectomy. Georgian Med News. 2007;(153):11–4.
11. Дерюгина АВ, Шумилова АВ, Филиппенко ЕС, Галкина ЯВ, Симутис ИС, Бояринов ГА. Функционально-биохимические показатели эритроцитов при использовании мексикора в посттравматический период экспериментальной кровопотери и сочетанной черепно-мозговой травмы у крыс. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2017;164(7):34–7.
12. Дерюгина АВ, Бояринов ГА, Симутис ИС, Никольский ВО, Кузнецов АБ, Ефимова ТС. Коррекция озонированной эритроцитной массой метаболических показателей эритроцитов и структуры миокарда после острой кровопотери. Цитология. 2018;60(2): 89–95. doi: 10.31116/tsitol.2018.02.03.
13. Атаходжаев И, Игнатьев П, Индукаев К, Осипов П. Лазерная интерференционная микроскопия для нанотехнологий. Фотоника. 2012;32(2):52–5.
14. Василенко ИА, Кардашова ЗЗ, Тычинский ВП, Вишенская ТВ, Лифенко РА, Валов АЛ, Иванюта ИВ, Агаджанян БЯ. Клеточная диагностика: возможности витальной компьютерной микроскопии. Вестник последипломного медицинского образования. 2009;(3–4):64–8.
15. Меньшиков ВВ, Долгов ВВ, ред. Клиническая лабораторная диагностика. Национальное руководство. В 2 томах. Том 1. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2012. 928 с.
16. Cook GM. Glycobiology of the cell surface: Its debt to cell electrophoresis 1940–65. Electrophoresis. 2016;37(11):1399–406. doi: 10.1002/elps.201500476.
17. Сергунова ВА, Черняев АП, Козлов АП, Близнюк УА, Борщеговская ПЮ, Козлова ЕК, Черныш АМ. Наноструктура мембран эритроцитов при интоксикации крови. Исследование с помощью атомной силовой микроскопии. Альманах клинической медицины. 2016;44(2):234–41. doi: 10.18786/20720505-2016-44-2-234-241.
18. Rodnenkov OV, Luneva OG, Ulyanova NA, Maksimov GV, Rubin AB, Orlov SN, Chazov EI. Erythrocyte membrane fluidity and haemoglobin haemoporphyrin conformation: features revealed in patients with heart failure. Pathophysiology. 2005;11(4):209–13. doi: 10.1016/j.pathophys.2004.12.001.
19. Браже АР, Браже НА, Сосновцева ОВ, Павлов АН, Мозекильде Э, Максимов ГВ. Исследование клеточной динамики с помощью интерференционной микроскопии с применением вейвлет-анализа. Компьютерные исследования и моделирование. 2009;1(1):77–83.
20. Moroz VV, Chernysh AM, Kozlova EK, Borshegovskaya PY, Bliznjuk UA, Rysaeva RM, Gudkova OY. Comparison of red blood cell membrane microstructure after different physicochemical influences: atomic force microscope research. J Crit Care. 2010;25(3):539.e1–12. doi: 10.1016/j.jcrc.2010.02.007.
21. Макшанова ГП, Устьянцева ИМ, Петухова ОВ, Агаджанян ВВ. Изменение проницаемости эритроцитарных мембран и показателей липидного обмена у больных с политравмой при раннем и отсроченном оперативном лечении. Физиология человека. 2003;29(1):95–9.
22. Калий ВВ. Состояние синтеза и метаболизма глюкокортикоидных гормонов у больных раком гортани молодого возраста. Сибирский медицинский журнал (Томск). 2010;25(1):15–6.
Almanac of Clinical Medicine. 2018; 46: 765-771
Translational studies of electrophoretic mobility and phase picture of erythrocytes with consideration of development of stress response during a pathological process
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2018-46-8-765-771Abstract
Rationale: Modern cell diagnostic methods are in high demand during the development of new approaches in personalized medicine. Coherent phase interferometry and cell microelectrophoresis are among such methods that are being actively introduced into the diagnostic process in medical institutions.
Aim: To substantiate the potential use of biophysical and morphodensitometrical erythrocytes parameters as criteria of treatment efcacy and course of adaptation process in patients with gastrointestinal tract disorders.
Materials and methods: The study included 25 patients aged from 40 to 54 years (11 males and 14 females), among them 9 (36%) with gastric peptic ulcer, 3 (12%) with duodenal ulcer, 8 (32%) with acute gastritis, and 5 (20%) with acute pancreatitis. Biophysical and morphological particulars of peripheral blood erythrocytes were assessed before and after treatment using cell diagnostic techniques, such as microelectrophoresis and laser modulation interference microscopy. Also, we evaluated changes over time in routine clinical laboratory tests, such as red and white blood cell counts, hemoglobin levels, and erythrocyte sedimentation rate (ESR), and differential leukocyte counts. The control group included 10 healthy donors aged from 36 to 52 years. In vitro experiments were performed to assess the erythrocyte electrophoretic mobility (EEPM) and morphology of erythrocytes treated with epinephrine or cortisol.
Results: After the treatment, the patients demonstrated a decrease in their leukocyte counts (by 27%), a 2-fold increase in monocyte counts and an ESR decrease (by 10%), compared to the corresponding baseline values before treatment (p < 0.05 for all comparisons). EEPM increased by 12% (1.37 vs. 1.22 mcm × cm/V × s, p < 0.05). The erythrocyte pool of the patients before treatment, had a decreased proportion of discocytes, compared to that in the control group (85.2 vs. 95.4%, р < 0.05), increased proportions of echinocytes, stomatocytes and degenerative forms (11, 2.8 and 1%, respectively, р < 0.05). After the treatment, the discocytes counts increased virtually up to their physiological normal range (91.3%). However, the surface of the discoid cells remained heterogeneous with multiple microspicules; this resulted in changes of electrokinetic and morphological properties of erythrocyte response to stress reaction occurring in the body. The impact of the stress effectors was confrmed in in vitro experiments assessing the effects of epinephrine (1 × 10-9 g/mL) and cortisol (5 × 10-7 g/mL) on erythrocytes. At 120 minutes of the experiment, epinephrine decreased EEPM (1.14 vs. 1.24 mcm × cm/V × s at baseline, р < 0.05) and increased cell sphericity. On the contrary, cortisol increased EEPM (1.72 vs. 1.36 mcm × cm/V × s, р < 0.05), with non-signifcant echinocytic transformation.
Conclusion: Biophysical and morphodensitometric parameters of red blood cells obtained with the use of current express methods of cell microelectrophoresis and coherent interference microscopy help to objectivize the intensity of stress response during a pathological process and activation of adaptation mechanisms during the treatment.
References
1. Pal'tsev MA, Belushkina NN. Translyatsionnaya meditsina – novyi etap razvitiya molekulyarnoi meditsiny. Molekulyarnaya meditsina. 2012;(4):3–6.
2. Kolbin AS, Gapeshin RA, Malyshev SM. Sovremennye podkhody k organizatsii translyatsionnykh issledovanii. Pediatricheskaya farmakologiya. 2014;11(3):15–9. doi: 10.15690/pf.v11i3.1002.
3. Popescu G, Park Y. Quantitative phase imaging in biomedicine. J Biomed Opt. 2015;20(11): 111201. doi: 10.1117/1.JBO.20.11.111201.
4. Fedin AI, Vasilenko IA, Badalyan KR. Vliyanie kholesterina na elektrokineticheskie svoistva membran eritrotsitov pri khronicheskoi ishemii golovnogo mozga. Zhurnal nevrologii i psikhiatrii im. C.C. Korsakova. 2015;115(9–2):30–7.
5. Antipenko EA, Deryugina AV, Gustov AV. Effects of nonspecifc cytoprotective treatment on stress resistance and compensatory potential in patients with chronic cerebral ischemia. Neurosci Behav Physi. 2017;47(7):817–20. doi: 10.1007/s11055-017-0474-3.
6. Boyarinov GA, Deryugina AV, Yakovleva EI, Zaitsev RR, Shumilova AV, Bugrova ML, Boyarinova LV, Filippenko ES, Solov'eva OD. Farmakologicheskaya korrektsiya mikrotsirkulyatsii u krys, perenesshikh cherepno-mozgovuyu travmu. Tsitologiya. 2016;58(8):610–7.
7. Krylov VN, Deryugina AV, Pleskova SN. Elektroforeticheskaya podvizhnost' i morfometriya eritrotsitov krys pri stressovykh vozdeistviyakh. Sovremennye tekhnologii v meditsine. 2010;(4):23–6.
8. Starodumov VL, Kalinina NG, Gorbunov VA. Sostoyanie membran eritrotsitov kak indikator vozdeistviya svintsa okruzhayushchei sredy. Vestnik Ivanovskoi meditsinskoi akademii. 2013;18(4):16–9.
9. Sashenkov SL, Alacheva LV. Otsenka reaktivnosti perifericheskogo otdela eritrona u detei s vospalitel'nymi zabolevaniyami organov dykhaniya. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya i prirodopol'zovanie. 2014;(6):123–31.
10. Veshapidze N, Chigogidze T, Managadze L, Gabunia N, Kotrikadze N. Dynamics of the structural and electrical characteristics of erythrocytes in men with metastatic adenocarcinoma of the prostate before and after plastic orchiectomy. Georgian Med News. 2007;(153):11–4.
11. Deryugina AV, Shumilova AV, Filippenko ES, Galkina YaV, Simutis IS, Boyarinov GA. Funktsional'no-biokhimicheskie pokazateli eritrotsitov pri ispol'zovanii meksikora v posttravmaticheskii period eksperimental'noi krovopoteri i sochetannoi cherepno-mozgovoi travmy u krys. Byulleten' eksperimental'noi biologii i meditsiny. 2017;164(7):34–7.
12. Deryugina AV, Boyarinov GA, Simutis IS, Nikol'skii VO, Kuznetsov AB, Efimova TS. Korrektsiya ozonirovannoi eritrotsitnoi massoi metabolicheskikh pokazatelei eritrotsitov i struktury miokarda posle ostroi krovopoteri. Tsitologiya. 2018;60(2): 89–95. doi: 10.31116/tsitol.2018.02.03.
13. Atakhodzhaev I, Ignat'ev P, Indukaev K, Osipov P. Lazernaya interferentsionnaya mikroskopiya dlya nanotekhnologii. Fotonika. 2012;32(2):52–5.
14. Vasilenko IA, Kardashova ZZ, Tychinskii VP, Vishenskaya TV, Lifenko RA, Valov AL, Ivanyuta IV, Agadzhanyan BYa. Kletochnaya diagnostika: vozmozhnosti vital'noi komp'yuternoi mikroskopii. Vestnik poslediplomnogo meditsinskogo obrazovaniya. 2009;(3–4):64–8.
15. Men'shikov VV, Dolgov VV, red. Klinicheskaya laboratornaya diagnostika. Natsional'noe rukovodstvo. V 2 tomakh. Tom 1. M.: GEOTAR-Media; 2012. 928 s.
16. Cook GM. Glycobiology of the cell surface: Its debt to cell electrophoresis 1940–65. Electrophoresis. 2016;37(11):1399–406. doi: 10.1002/elps.201500476.
17. Sergunova VA, Chernyaev AP, Kozlov AP, Bliznyuk UA, Borshchegovskaya PYu, Kozlova EK, Chernysh AM. Nanostruktura membran eritrotsitov pri intoksikatsii krovi. Issledovanie s pomoshch'yu atomnoi silovoi mikroskopii. Al'manakh klinicheskoi meditsiny. 2016;44(2):234–41. doi: 10.18786/20720505-2016-44-2-234-241.
18. Rodnenkov OV, Luneva OG, Ulyanova NA, Maksimov GV, Rubin AB, Orlov SN, Chazov EI. Erythrocyte membrane fluidity and haemoglobin haemoporphyrin conformation: features revealed in patients with heart failure. Pathophysiology. 2005;11(4):209–13. doi: 10.1016/j.pathophys.2004.12.001.
19. Brazhe AR, Brazhe NA, Sosnovtseva OV, Pavlov AN, Mozekil'de E, Maksimov GV. Issledovanie kletochnoi dinamiki s pomoshch'yu interferentsionnoi mikroskopii s primeneniem veivlet-analiza. Komp'yuternye issledovaniya i modelirovanie. 2009;1(1):77–83.
20. Moroz VV, Chernysh AM, Kozlova EK, Borshegovskaya PY, Bliznjuk UA, Rysaeva RM, Gudkova OY. Comparison of red blood cell membrane microstructure after different physicochemical influences: atomic force microscope research. J Crit Care. 2010;25(3):539.e1–12. doi: 10.1016/j.jcrc.2010.02.007.
21. Makshanova GP, Ust'yantseva IM, Petukhova OV, Agadzhanyan VV. Izmenenie pronitsaemosti eritrotsitarnykh membran i pokazatelei lipidnogo obmena u bol'nykh s politravmoi pri rannem i otsrochennom operativnom lechenii. Fiziologiya cheloveka. 2003;29(1):95–9.
22. Kalii VV. Sostoyanie sinteza i metabolizma glyukokortikoidnykh gormonov u bol'nykh rakom gortani molodogo vozrasta. Sibirskii meditsinskii zhurnal (Tomsk). 2010;25(1):15–6.
