RICERCA ITALIANA     

Analisi della deformabilità di globuli rossi nel flusso in microcapillari in gel biomimetici

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

La deformabilità dei globuli rossi circolanti nei vasi di piccolo calibro è una proprietà essenziale per mantenere un flusso ottimale e per consentire gli scambi gassosi fra sangue e tessuti. Da un punto di vista patologico, una ridotta deformabilità è implicata in una serie di malattie del sangue periferico, come la policitemia vera, la trombocitemia essenziale, la mielofibrosi idiopatica. Nonostante la rilevanza fisiopatologica della deformabilità dei globuli rossi, le misure di deformabilità dei globuli rossi risultano in genere di difficile applicazione clinica, essendo tuttora effettuate con metodiche piuttosto rudimentali ed in condizioni molto distanti da quelle riscontrate in vivo.
Obiettivo principale di questo progetto è lo sviluppo di una nuova metodica di analisi per la determinazione della deformabilità e lo stato di ossigenazione dei globuli rossi nel flusso in microcapillari. Data la complessità del problema, l'approccio adottato è di natura interdisciplinare. Le tre unità impegnate hanno infatti competenze di tipo ingegneristico, chimico e medico, e, per il carattere finalizzato ed applicativo del progetto, saranno coinvolte in un lavoro interattivo, con scambio di materiali, tecniche e risultati. Il programma di ricerca si articola nelle seguenti attività principali:
1) sintesi e caratterizzazione di nuove matrici gel in grado di simulare l'ambiente del microcircolo, sia in termini fluidodinamici che per le caratteristiche di permeabilità e di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe MARRUCCI Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il principale obiettivo di questo progetto è lo sviluppo di una nuova metodica di analisi per la determinazione della deformabilità dei globuli rossi nel flusso in microcapillari. L'attività di ricerca proposta è motivata dalla rilevanza fisiopatologica della deformabilità dei globuli rossi, che costituisce una proprietà essenziale per l'ossigenazione dei tessuti nella microcircolazione. Una ridotta deformabilità è infatti implicata in una serie di malattie ed alterazioni del sangue periferico, come la Policitemia Vera, la Trombocitemia Essenziale, la Mielofibrosi Idiopatica, ed eritrocitosi da cause diverse (emoglobinopatia, iperincrezione di Epo, alterazioni del recettore dell'eritropoietina). Aspetti comuni di tali stati patologici sono l'incremento della viscosità del sangue e l'aumento del numero di cellule circolanti. I due aspetti sono correlati, in quanto l'iperviscosità può essere causata da un aumento delle concentrazione di corpuscoli circolanti (oltre che da una loro ridotta deformabilità). Da un punto di vista terapeutico, allo stato attuale delle conoscenze, le cure delle citate patologie mirano a ridurre l'ipercellularità, in modo da ottenere anche un miglioramento della viscosità. Nelle condizioni di eritrocitosi il principale presidio terapeutico è la salasso terapia per indurre iposiderosi (carenza dei depositi di ferro). Il principale effetto collaterale è la comparsa di una patologia dei globuli rossi i quali, proprio per la mancanza di ferro, diventano >>>

Risultati parziali attesi

I risultati parziali attesi al termine della prima fase del progetto sono i seguenti:
1) Verrà realizzato un dispositivo costituito da una colonna riempita con un gel poroso descritto nella sezione precedente collegata ad un serbatoio contenente una sospensione acquosa di globuli rossi. Il livello (circa 20 cm) di tale sospensione nel serbatoio sarà scelto in modo da garantire una velocità di flusso costante ed adeguata attraverso la colonna. Ad entrambe le estremità della colonna saranno posizionati due mini elettrodi ("730 mini Clark-style electrodes", Diamond General Co., MI, USA) allo scopo di controllare il contenuto di ossigeno all'interno della matrice porosa. La fuoriuscita degli eritrociti dalla colonna sarà monitorato e registrato microscopicamente.
2) Verrà realizzata una cella di flusso per ospitare i gel prodotti dall'UR di Roma. La cella sarà alloggiata nella workstation di video microscopia ottica disponibile presso l'UR-1 di Napoli. Sarà anche messo a punto un sistema di termostatazione per effettuare prove a temperatura controllata.
3) Saranno effettuati misure preliminari di attrito superficiale sui gel polyHIPEs sintetizzati dall'UR di Roma.
4) Saranno sviluppati degli algoritmi per l'analisi della deformabilità di globuli rossi in microcapillari.I risultati parziali attesi al termine della seconda fase del progetto sono i seguenti:
1) Realizzazione di campioni di gels ottenuti a partire, rispettivamente, da monomeri >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La deformabilità dei globuli rossi circolanti nei vasi di piccolo calibro è essenziale per mantenere un flusso ottimale e per consentire gli scambi gassosi fra sangue e tessuti. I capillari in cui avviene il microcircolo hanno infatti diametro paragonabile o inferiore a quello dei globuli rossi, ed il passaggio di questi ultimi può avvenire solo grazie alla loro notevole capacità di deformarsi in flusso. Inoltre, la deformabilità dei globuli rossi può avere anche effetti su scala macroscopica, influenzando la viscosità stessa del sangue, che dipende sia dalla composizione della parte plasmatica (acqua e proteine) che dalle proprietà e dalla concentrazione delle cellule (eritrociti, globuli bianchi e piastrine) costituenti la parte corpuscolare (Hoffman et al., 2000). A causa di questa complessa microstruttura, il sangue ha proprietà reologiche tipiche di fluidi non-Newtoniani (Astarita e Marrucci, 1974), e la viscosità dipende anche dalle condizioni di flusso.
La deformabilità, definita come estensione del corpo cellulare sotto l'applicazione stazionaria di uno sforzo fluidodinamico, è principalmete regolata da tre variabili: la viscosità interna, il rapporto area superficiale/ volume, e le proprietà viscoelastiche della membrana (Mohandas and Chasis, 1993; Mohandas and Evans, 1994). La membrana eritrocitaria consiste di un doppio strato fosfolipidico e di uno scheletro sottostante, i quali contribuiscono entrambi alle proprietà elastiche della cellula. Tale struttura >>>