Атомно-силовая микроскопия в оценке механических свойств мембран эритроцитов при воздействии различных физико-химических агентов

Background: Mechanical properties of cell membranes and their structural organization are considered among the most important biological parameters affecting the functional state of the cell. Under the influence of various pathogenic factors, erythrocyte membranes lose their elasticity. The resulting changes in their biomechanical characteristics is an important, but poorly studied topic. It is of interest to study the deformation of native erythrocytes to a depth compatible with their deformation in the bloodstream.Aim: To investigate the patterns of deep deformation and the particulars of structural organization of native erythrocyte membranes before and after their exposure to physicochemical agents in vitro.Materials and methods: Cell morphology, nanostructure characteristics, and membrane deformation of native erythrocytes in a solution of hemoconservative CPD/SAGM were studied with atomic force microscope NTEGRA Prima. Hemin, zinc ions (Zn2+), and ultraviolet (UV) radiation were used as modifiers. To characterize the membrane stiffness, we measured the force curves F(h), hHz (the depth to which the probe immersion is described by interaction with a homogeneous medium), and the Young's modulus values of the erythrocyte membrane.Results: Exposure to hemin, Zn2+ and UV radiation led to transformation of the cell shape, appearance of topological defects and changes in mechanical characteristics of erythrocyte membranes. Under exposure to hemin, Young's modulus increased from 10±4 kPa to 27.2±8.6 kPa (p0.001), exposure to Zn2+, to 21.4±8.7 kPa (p=0.002), and UV, to 18.8±5.6 kPa (p=0.001). The hHz value was 815±210 nm for the control image and decreased under exposure to hemin to 420±80 nm (p0.001), Zn2+, to 370±90 nm (p0.001), and UV, to 614±120 nm (p=0.001).Conclusion: The results obtained contribute to a deeper understanding of interaction between membrane surfaces of native erythrocytes and small vessel walls. They can be useful in clinical medicine as additional characteristics for assessment of the quality of packed red blood cells, as well as serve as a basis for biophysical studies into the mechanisms of action of oxidative processes of various origins.Обоснование. Механические свойства мембран клеток и их структурная организация считаются одними из наиболее важных биологических параметров, влияющих на функциональное состояние клетки. При воздействии патогенных факторов различной природы мембраны эритроцитов теряют эластичность. Как при этом изменяются их биомеханические характеристики – вопрос важный, но малоизученный. Представляется интересным изучить деформацию нативных эритроцитов на глубину, соизмеримую с их деформацией в кровотоке.Цель – исследовать закономерности глубокой деформации и особенности структурной организации мембран нативных эритроцитов до и после воздействия физико-химических агентов in vitro.Материал и методы. Морфологию клеток, особенности наноструктуры и деформации мембран нативных эритроцитов в растворе гемоконсерванта CPD/SAGM исследовали с использованием атомно-силового микроскопа NTEGRA Prima. В качестве модификаторов применяли гемин, ионы цинка (Zn2+) и ультрафиолетовое излучение (УФ). Для характеристики жесткости мембраны измеряли силовые кривые F(h), hHz – глубину, до которой процесс погружения зонда описывается взаимодействием с однородной средой, а также оценивали величину модуля Юнга мембраны эритроцитов.Результаты. Установлено, что воздействие гемина, Zn2+ и УФ приводило к трансформации формы клеток, возникновению топологических дефектов и изменению механических характеристик мембран эритроцитов. При воздействии гемина модуль Юнга увеличился с 10±4 до 27,2±8,6 кПа (p0,001), под влиянием Zn2+ – до 21,4±8,7 кПа (p=0,002), УФ – до 18,8±5,6 кПа (p=0,001). Величина hHz составила 815±210 нм для контрольного образца и уменьшалась после действия гемина до 420±80 нм (p0,001), Zn2+ – до 370±90 нм (p0,001), УФ – 614±120 нм (p=0,001).Заключение. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процессов взаимодействия поверхностей мембран нативных эритроцитов со стенками мелких сосудов и могут быть полезны в клинической медицине как дополнительные характеристики при оценке качества эритроцитов, а также послужить основой для биофизических исследований механизма действия окислительных процессов различного происхождения.