高分辨率高通量检测红细胞刚度：助力镰状细胞病精准诊疗新突破

为解决镰状细胞病（SCD）现有筛查技术成本高、灵敏度低的问题，研究人员开展基于无标记、低成本、高通量电液技术研究红细胞机械和形态特征变化的主题研究。结果显示可区分 SCD 患者与健康人红细胞，且发现二者红细胞刚度存在差异，对疾病诊疗意义重大。

　　在医学领域，镰状细胞病（SCD）是一个不容忽视的健康难题。全球每年约有 30 万婴儿被诊断患有 SCD 或贫血，在尼日利亚、刚果民主共和国和印度等国家，SCD 的发病率尤为突出，印度政府甚至为此推出了 “国家镰状细胞贫血消除计划”。SCD 是一种由血红蛋白 β- 珠蛋白（HBB）基因至少一个点突变引发的遗传性疾病，突变后的血红蛋白会在红细胞（RBCs）内聚集，使红细胞变硬、呈镰刀状。这不仅导致红细胞的变形能力下降，还会使其在微循环中容易堵塞血管，引发严重的血管闭塞和贫血症状，进而造成慢性疼痛和多器官损伤，极大地影响患者的生活质量和健康。

目前，针对 SCD 的诊断和治疗面临诸多挑战。虽然有多种治疗药物和医疗程序，但在大规模人群中筛查 SCD 标记物却困难重重。现有的商业诊断技术，如外周血涂片、溶解度镰变试验、等电聚焦、侧向流动免疫分析和高效液相色谱（HPLC）等，都存在一定的局限性。其中，HPLC 虽被认为是最准确的诊断工具，但价格昂贵，且无法检测出患者体内共存的铁和其他缺乏症，难以用于大规模的初步筛查。因此，开发一种更高效、低成本、适用于初步筛查的诊断方法迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》上。研究人员提出了一种无标记、成本效益高且高通量的电液技术，旨在研究 RBCs 的机械和形态特征变化，为 SCD 的诊断和治疗开辟新途径。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是微孔装置制造技术，使用硼硅酸盐毛细管制作不同孔径的微孔，包括用于自由飞行实验的大微孔和用于受限飞行实验的小微孔。其次是样本制备技术，从人类志愿者和 SCD 患者获取血液样本，经过一系列处理后用于实验。同时，利用电液测量技术记录细胞通过微孔时的电流信号，以此来分析细胞的相关特性。另外，通过原子力显微镜（AFM）测量红细胞的弹性模量，为研究提供更精确的数据支持。

研究结果主要通过以下几个方面呈现：

1. 检测细胞体积和细胞刚度：研究人员利用自由飞行和受限飞行两种模式的微孔实验，分别检测细胞体积和全细胞刚度的变化。实验表明，不同体积的模型细胞通过大微孔时，其事件深度（ΔG_ff）对应着细胞体积；而红细胞通过小微孔时，事件持续时间（Δt）则与细胞刚度相关，不同刚度的细胞具有不同的 Δt 直方图。
2. 测量红细胞刚度变化：使用 Latrunculin A（Lat-A）药物处理健康供体的红细胞，使其刚度发生变化。通过受限飞行实验发现，随着 Lat-A 浓度的增加，红细胞的全细胞刚度降低，表现为通过小微孔的时间（Δt）缩短。这一结果在多个实验装置上得到了验证。
3. 估计红细胞弹性模量：运用 AFM 测量红细胞的弹性模量，通过力 - 压痕曲线，利用赫兹模型计算得出。结果显示，随着 Lat-A 浓度的增加，红细胞的弹性模量（E）系统地降低。
4. 建立经验相关性：研究发现，受限飞行微孔实验的停留时间（Δt）与 AFM 测量的弹性模量（E）之间存在线性关系，且这种关系在不同流速下依然成立。同时，Δt 还与细胞体积（通过自由飞行 ΔG_ff反映）有关，通过实验建立了相关的经验公式，用于估计未知样本相对于对照样本的弹性模量变化。
5. 筛查 SCD 患者：研究人员将微孔装置应用于医院，对健康供体和 SCD 患者的红细胞样本进行检测。结果显示，SCD 患者的红细胞通过小微孔的速度明显慢于健康供体，表明 SCD 患者的红细胞更硬。研究还发现，SCD 患者红细胞的相对弹性模量比健康供体高 2 - 4 倍，且除个别数据点外，相对弹性模量与细胞内 HbS% 含量呈线性关系。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功实现了高分辨率和高通量的全细胞刚度量化，并通过对 SCD 患者红细胞的筛查展示了其应用价值。研究人员利用电液微孔装置的自由飞行和受限飞行模式，分别证明了细胞体积和刚度的检测原理。通过 Lat-A 处理红细胞，校准了红细胞弹性模量与停留时间（Δt）之间的线性关系。建立的相对弹性经验公式，为评估样本的弹性模量提供了有效方法。在 SCD 患者筛查方面，该技术能够在血细胞出现镰刀状视觉特征之前，依据机械变化识别 SCD 红细胞，有望成为大规模初步筛查的有力工具。虽然机械异常不能确诊 SCD，但可提示可能存在的血液学疾病，为进一步检查提供依据。此外，该电液细胞机械分型系统在循环肿瘤细胞检测、兽医学低成本血液学筛查以及研究和优化囊泡和水凝胶的机械性能等方面也具有潜在的广泛应用前景。这项研究为 SCD 的诊断和治疗提供了新的思路和方法，对推动生命科学和健康医学领域的发展具有重要意义。