rmtОбщая реаниматологияGeneral Reanimatology1813-97792411-7110FSBI "SRIGR" RAMS10.15360/1813-9779-2019-6-11-20rmt-1828Research ArticleКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИКАCLINICAL STUDIES AND PRACTICEДефекты мембран эритроцитов у пациентов с нарушениями функции головного мозга (пилотное исследование)Defects of Red Blood Cell Membranes in Patients with Brain Dysfunction (Pilot Study)ГречкоА. В.GrechkoAndrey V.

141534, Московская область, Солнечногорский район, д. Лыткино, д. 777

777 Lytkino 141534, Solnechnogorsk district, Moscow region

МолчановИ. В.MolchanovIgor V.

107031, г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2

25 Petrovka Str., Build. 2, 107031 Moscow

СергуноваВ. А.SergunovaVictoria A.

107031, г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2

25 Petrovka Str., Build. 2, 107031 Moscow

КозловаЕ. К.KozlovaElena K.

107031, г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2119991, г. Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2

25 Petrovka Str., Build. 2, 107031 Moscow8 Trubetskaya Str., Bldg. 2, 119991 Moscow

ЧернышА. М.ChernyshAlexander M.

107031, г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2119991, г. Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2

25 Petrovka Str., Build. 2, 107031 Moscow8 Trubetskaya Str., Bldg. 2, 119991 Moscow

orbf@mail.ruФедеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологииРоссияFederal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and RehabilitologyRussian FederationНИИ общей реаниматологии им. В. А. Неговского ФНКЦ РРРоссияV. A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology, Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and RehabilitologyRussian FederationНИИ общей реаниматологии им. В. А. Неговского ФНКЦ РР; Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова Минздрава РоссииРоссияV. A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology, Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology; I. M. Sechenov First Moscow State Medical University, Ministry of Health of RussiaRussian Federation2019231220191561120Copyright © Гречко А.В., Молчанов И.В., Сергунова В.А., Козлова Е.К., Черныш А.М., 20192019Гречко А.В., Молчанов И.В., Сергунова В.А., Козлова Е.К., Черныш А.М.Grechko A.V., Molchanov I.V., Sergunova V.A., Kozlova E.K., Chernysh A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.reanimatology.com/rmt/article/view/1828Цель работы

Цель работы. Выявление перспективных диагностических и прогностических биомаркеров развития патологических процессов на основе особенностей морфологии и наноструктуры мембран эритроцитов у пациентов с нарушениями функции головного мозга, находящихся в отделении анестезиологии и реанимации.

Материалы и методы

Материалы и методы. В исследование включили 24 пациента отделения анестезиологии и реанимации ФНКЦ РР. Кровь забирали у данных пациентов для стандартных анализов, и все дальнейшие исследования проводили in vitro. Изображения эритроцитов получали с помощью атомного силового микроскопа «NTEGRA Рrima» (NT-MDT, Россия) в полуконтактном режиме.

Результаты

Результаты. У пациентов отделения анестезиологии и реанимации с черепно-мозговой травмой, ишемическим и геморрагическим инсультом, отеком головного мозга, постгипоксической энцефалопатией имели место различные формы клеток крови, на поверхности мембраны эритроцитов возникали локальные дефекты различной топологии: дефекты пэллора, тора, наноструктуры.

Заключение

Заключение. В данном пилотном исследовании мы показали, что ряд дефектов являются стартовым механизмов развития тотальных повреждений мембран. Локальные топографические дефекты наноструктур, а также нарушения морфологии эритроцитов необратимы. Количество и качество этих нарушений в перспективе могут быть использованы как диагностический и прогностический биомаркер патологических процессов.

The aim of the paper

The aim of the paper: to identify promising diagnostic and prognostic biomarkers of pathological processes development based on the red blood cell membrane morphology and nanostructure in patients with brain disorders in the Intensive Care Unit.

Materials and methods

Materials and methods. The study included 24 patients from the anesthesiology and resuscitation ward of the Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology. Blood was acquired from the patients for standard tests, and all further tests were performed in vitro. The images of red blood cells were obtained using the atomic force microscope «NTEGRA Рrima» (NT-MDT, Russia) in semi-contact mode.

Results

Results. Patients from the anesthesiology and intensive care ward with traumatic brain injury, ischemic and hemorrhagic stroke, cerebral edema, and post-hypoxic encephalopathy had different blood cell shapes and localized defects of different topology on the surface of erythrocyte membranes including defects of pallor, torus, and nanostructure.

Conclusion

Conclusion. In this pilot study we have shown that several defects represent the trigger mechanisms for the development of a total membrane damage. Local topographic defects of nanostructures and abnormalities of erythrocyte morphology are irreversible. The number and quality of these abnormalities may eventually be used as a diagnostic and prognostic biomarker of pathological processes.

эритроцитынаноструктура мембранатомная силовая микроскопияred blood cellsmembrane nanostructureatomic force microscopyИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и «Russian Academic Excellence Project 5-100».This work has been supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation and by the «Russian Academic Excellence Project 5-100».ReferencesCosta K.D. Imaging and probing cell mechanical properties with the atomic force microscope. Meth. Mol. Biol. 2006; 319: 331–361. DOI: 10.1007/978-1-59259-993-6_17. PMID: 16719364Costa K.D. Imaging and probing cell mechanical properties with the atomic force microscope. Meth. Mol. Biol. 2006; 319: 331–361. DOI: 10.1007/978-1-59259-993-6_17. PMID: 16719364Martínez-Vieyra V., Rodríguez-Varela M., García-Rubio D., De la Mora-Mojica B, Méndez-Méndez J, Durán-Álvarez C, Cerecedo D. Alterations to plasma membrane lipid contents affect the biophysical properties of erythrocytes from individuals with hypertension. Biochim Biophys Acta Biomembr. 2019; 1861 (10) 182996 DOI: 10.1016/j.bbamem.2019.05.018.Martínez-Vieyra V., Rodríguez-Varela M., García-Rubio D., De la Mora-Mojica B, Méndez-Méndez J, Durán-Álvarez C, Cerecedo D. Alterations to plasma membrane lipid contents affect the biophysical properties of erythrocytes from individuals with hypertension. Biochim Biophys Acta Biomembr. 2019; 1861 (10) 182996 DOI: 10.1016/j.bbamem.2019.05.018.Berezina T.L., Zaets S.B., Morgan C. Influence of storage on red blood cell rheological properties. J. Surg. Res. 2002; 102 (1): 6–12. DOI: 10.1006/jsre.2001.6306. PMID: 11792145Berezina T.L., Zaets S.B., Morgan C. Influence of storage on red blood cell rheological properties. J. Surg. Res. 2002; 102 (1): 6–12. DOI: 10.1006/jsre.2001.6306. PMID: 11792145Yusipovich A.I., Bryzgalova N.Y., Parshina E.Y., Lomakin A.G., Rodnenkov O.V., Levin G.G., Maksimov G.V., Rubin A.B. Evaluation of erythrocyte shape and status by laser interference microscopy. Bull. Exp. Biol. Med. 2008; 145 (3): 382–385. DOI: 10.1007/s10517-008-0097-3. PMID: 19039950Yusipovich A.I., Bryzgalova N.Y., Parshina E.Y., Lomakin A.G., Rodnenkov O.V., Levin G.G., Maksimov G.V., Rubin A.B. Evaluation of erythrocyte shape and status by laser interference microscopy. Bull. Exp. Biol. Med. 2008; 145 (3): 382-385. DOI: 10.1007/s10517-008-0097-3. PMID: 19039950Betz T., Bakowsky U., Müller M., Lehr C-M., Bernhardt I. Conformational change of membrane proteins leads to shape changes of red blood cells. Bioelectrochemistry. 2007; 70: 122–126. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2006.03.019. PMID: 16713378Betz T., Bakowsky U., Müller M., Lehr C-M., Bernhardt I. Conformational change of membrane proteins leads to shape changes of red blood cells. Bioelectrochemistry. 2007; 70: 122–126. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2006.03.019. PMID: 16713378Cabrales P. Effects of erythrocyte flexibility on microvascular perfusion and oxygenation during acute anemia. Am. J. Physiolol. Heart Cire. Physiol. 2007; 293 (2): 1206–1215. DOI: 10.1152/ajpheart.00109.2007. PMID: 17449555Cabrales P. Effects of erythrocyte flexibility on microvascular perfusion and oxygenation during acute anemia. Am. J. Physiolol. Heart Cire. Physiol. 2007; 293 (2): 1206–1215. DOI: 10.1152/ajpheart.00109.2007. PMID: 17449555Манченко Е. А., Козлова Е. К., Сергунова В. А., Черныш А. М. Однородная деформация нативных эритроцитов при их длительном хранении. Общая реаниматология. 2019; 15 (5): 2–10. DOI: 10.15360/1813-9779-2019-5-4-10Manchenko E.A., Kozlova E.K., Sergunova V.A., Chernysh A.M. Homogeneous Deformation of Native Erythrocytes During Long-Term Storage. Obshchaya Reanimatologiya=General Reanimatology. 2019; 15 (5): 4–10. [In Russ.]. DOI: 10.15360/1813-9779-2019-5-4-10Skoumalová A., Herget J., Wilhelm J. Hypercapnia protects erythrocytes against free radical damage induced by hypoxia in exposed rats. Cell Biochem. Funct. 2008; 26 (7): 801–807. DOI: 10.1002/cbf.1509. PMID: 18683905Skoumalová A., Herget J., Wilhelm J. Hypercapnia protects erythrocytes against free radical damage induced by hypoxia in exposed rats. Cell Biochem. Funct. 2008; 26 (7): 801–807. DOI: 10.1002/cbf.1509. PMID: 18683905Girotti A.W., Thomas J.P. Damaging effects of oxygen radicals on resealed erythrocyte ghosts. J. Biol. Chem. 1984; 259 (3): 1744–1752. PMID: 6546380Girotti A.W., Thomas J.P. Damaging effects of oxygen radicals on resealed erythrocyte ghosts. J. Biol. Chem. 1984; 259 (3): 1744–1752. PMID: 6546380Vignini A., Alia S., Pugnaloni S., Giulietti A., Bacchetti T., Mazzanti L., Luzzi S., Fiorini R. Erythrocyte membrane fluidity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease patients. Exp. Gerontol. 2019 ; 128: 110754. DOI: 10.1016/j.exger.2019.110754.Vignini A., Alia S., Pugnaloni S., Giulietti A., Bacchetti T., Mazzanti L., Luzzi S., Fiorini R. Erythrocyte membrane fluidity in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease patients. Exp. Gerontol. 2019; 128: 110754. DOI: 10.1016/j.exger.2019.110754.Катюхин Л.Н. Реологические свойства эритроцитов. Современные методы исследования. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 1995; 81 (6): 122–129.Katyuhin L.N. Rheological properties of erythrocytes. Modern research methods. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I.M. Sechenova. 1995; 81 (6): 122–129 [In Russ.]Котовская Ю.В. Метаболический синдром: прогностическое значение и современные подходы к комплексной терапии. Сердце. 2005; 4 (5): 236–241.Kotovskaya Yu.V. Metabolic syndrome: prognostic value and modern approaches to complex therapy. Serdtse. 2005; 4 (5): 236–241 [In Russ.]Ройтберг Г.Е. Метаболический синдром. Москва: МЕДпресс–информ; 2007: 224. ISBN 5-98322-253-8Rojtberg G.E. Metabolic syndrome. Moscow: MEDpress-inform; 2007: 224. ISBN 5-98322-253-8 [In Russ.]Spyratou E., Dilvoi M., Patatoukas G., Platoni K., Makropoulou M., Efstathopoulos E.P. Probing the Effects of Ionizing Radiation on Young's Modulus of Human Erythrocytes Cytoskeleton using Atomic Force Microscopy. J.Med. Phys. 2019; 44 (2): 113–117. DOI: 10.4103/jmp.JMP_95_18.Spyratou E., Dilvoi M., Patatoukas G., Platoni K., Makropoulou M., Efstathopoulos E.P.. Probing the Effects of Ionizing Radiation on Young’s Modulus of Human Erythrocytes Cytoskeleton using Atomic Force Microscopy. J.Med. Phys. 2019; 44 (2): 113–117. DOI: 10.4103/jmp.JMP_95_18.Moroz V.V., Chernysh A.M., Kozlova E.K., Borshegovskaya P.Y., Bliznjuk U.A., Rysaeva R.M., Gudkova O.Y. Comparison of red blood cell membrane microstructure after different physicochemical influences: Atomic force microscope research. J. Crit. Care. 2010; 25 (3): 539. 1–12. DOI: 10.1016/j.jcrc.2010.02.007. PMID: 20381299Moroz V.V., Chernysh A.M., Kozlova E.K., Borshegovskaya P.Y., Bliznjuk U.A., Rysaeva R.M., Gudkova O.Y. Comparison of red blood cell membrane microstructure after different physicochemical influences: Atomic force microscope research. J. Crit. Care. 2010; 25 (3): 539. 1–12. DOI: 10.1016/j.jcrc.2010.02.007. PMID: 20381299Ji X.L., Ma Y.M., Yin T., Shen M.S., Xu X., Guan W. Application of atomic force microscopy in blood research. World J. Gastroenterol. 2005; 11 (11): 1709–1711. DOI: 10.3748/wjg.v11.i11.1709. PMID: 15786556Ji X.L., Ma Y.M., Yin T., Shen M.S., Xu X., Guan W. Application of atomic force microscopy in blood research. World J. Gastroenterol. 2005; 11 (11): 1709–1711. DOI: 10.3748/wjg.v11.i11.1709. PMID: 15786556Girasole M., Cricenti A., Generosi R., Congiu-Castellano A., Boffi F., Arcovito A., Boumis G., and Amiconi G. Atomic force microscopy study of erythrocyte shape and membrane structure after treatment with a dihydropyridinic drug. Appl. Phys. Lett. 2000; 76: 3650–3652. DOI: 10.1063/1.126736Girasole M., Cricenti A., Generosi R., Congiu-Castellano A., Boffi F., Arcovito A., Boumis G., and Amiconi G. Atomic force microscopy study of erythrocyte shape and membrane structure after treatment with a dihydropyridinic drug. Appl. Phys. Lett. 2000; 76: 3650–3652. DOI: 10.1063/1.126736Betz T., Bakowsky U., Müller M.R., Lehr C.M., Bernhardt I. Conformational change of membrane proteins leads to shape changes of red blood cells. Bioelectrochemistry. 2007; 70: 122–126. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2006.03.019. PMID: 16713378Betz T., Bakowsky U., Müller M.R., Lehr C.M., Bernhardt I. Conformational change of membrane proteins leads to shape changes of red blood cells. Bioelectrochemistry. 2007; 70: 122–126. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2006.03.019. PMID: 16713378Zhang Y., Zhang W., Wang S., Wang C., Xie J., Chen X., Xu Y., Mao P. Detection of erythrocytes in patients with multiple myeloma using atomic force microscopy. Scanning. 2012; DOI: 10.1002/sca.21008. PMID: 22311545Zhang Y., Zhang W., Wang S., Wang C., Xie J., Chen X., Xu Y., Mao P. Detection of erythrocytes in patients with multiple myeloma using atomic force microscopy. Scanning. 2012; DOI: 10.1002/sca.21008. PMID: 22311545Мороз В.В., Черныш А.М., Козлова Е.К., Сергунова В.А., Гудкова О.Е., Федорова М.С., Кирсанова А.К., Новодержкина И.С. Нарушение наноструктуры мембран эритроцитов при острой кровопотере и их коррекция перфторуглеродной эмульсией. Общая реаниматология. 2011; 7 (2): 5–9. DOI: 10.15360/1813-9779-2011-2-5Moroz V.V., Chernysh A.M., Kozlova E.K., Sergunova V.A., Gudkova O.E., Fedorova M.S., Kirsanova A.K., Novoderzhkina I.S. Impairments in the Nanostructure of Red Blood Cell Membranes in Acute Blood Loss and Their Correction with Perfluorocarbon Emulsion. Obshchaya Reanimatologiya=General Reanimatology. 2011; 7 (2): 5. (In Russ.) DOI: 10.15360/1813-9779-2011-2-5Khromova V.S., Myshkin A.E. Coagulation of zinc-modified hemoglobin. Russian Journal of General Chemistry. 2002; 72 (10): 1645–1649. DOI: 10.1023/A: 1023356221708Khromova V.S., Myshkin A.E. Coagulation of zinc-modified hemoglobin. Russian Journal of General Chemistry. 2002; 72 (10): 1645–1649. DOI: 10.1023/A: 1023356221708Мороз В.В., Мягкова Е.А., Сергунова В.А., Гудкова О.Е., Остапченко Д.А., Черныш А.М., Решетняк В.И. Морфологические особенности эритроцитов у больных с тяжелой сочетанной травмой. Общая реаниматология. 2013; 9 (3): 14–23. DOI: 10.15360/1813-9779-2013-3-14Moroz V.V., Myagkova E.A., Sergunova V.A., Gudkova O.E., Ostapchenko D.A., Chernysh A.M., Reshetnyak V.I. Morphological Features of Red Blood Cells in Patients with Severe Concomitant Injury. General Reanimatology=Obshchaya Reanimatologiya. 2013; 9 (3): 14. (In Russ.) DOI: 10.15360/1813-9779-2013-3-14Льюис С.М. Практическая гематология. Москва: ГЭОТАР-медиа; 2009: 672. ISBN 978-5-9704-1192-6Lyuis S.M. Practical Hematology.Moscow: GEOTAR-media; 2009: 672. ISBN 978-5-9704-1192-6 [In Russ.]Robier C., Klescher D., Reicht G., Amouzadeh-Ghadikolai O., Quehenberger F., Neubauer M. Dacryocytes are a common morphologic feature of autoimmune and microangiopathic haemolytic anaemia. Clin. Chem. Lab. Med. 2015; 53 (7): 1073–1076. DOI: 10.1515/cclm2014-0936. PMID: 25503671Robier C, Klescher D, Reicht G, Amouzadeh-Ghadikolai O, Quehenberger F, Neubauer M. Dacryocytes are a common morphologic feature of autoimmune and microangiopathic haemolytic anaemia. Clin. Chem. Lab. Med. 2015; 53 (7): 1073–1076. DOI: 10.1515/cclm2014-0936. PMID: 25503671Сергунова В.А., Манченко Е.А., Гудкова О.Е. Гемоглобин: модификации, кристаллизация, полимеризация (обзор). Общая реаниматология. 2016; 12 (6): 49–63. DOI: 10.15360/1813-9779-2016-6-49-63Sergunova V.A., Manchenko E.A., Gudkova O.Y. Hemoglobin: Modification, Crystallization, Polymerization (Review). Obshchaya Reanimatologiya=General Reanimatology. 2016; 12 (6): 49–63. (In Russ.) DOI: 10.15360/1813-9779-2016-6-49-63Lim H. W. G., Wortis M., Mukhopadhyay R. Stomatocyte–discocyte–echinocyte sequence of the human red blood cell: Evidence for the bilayer couple hypothesis from membrane mechanics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002; 99 (26): 16766–16769. DOI: 10.1073/pnas.202617299. PMID: 12471152Lim H. W. G., Wortis M., Mukhopadhyay R. Stomatocyte–discocyte–echinocyte sequence of the human red blood cell: Evidence for the bilayer couple hypothesis from membrane mechanics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002; 99 (26): 16766–16769. DOI: 10.1073/pnas.202617299. PMID: 12471152Kozlova E, Chernysh A, Moroz V, Sergunova V, Gudkova O, Manchenko E. Morphology, membrane nanostructure and stiffness for quality assessment of packed red blood cells. Sci. Rep. 2017; 7 (1): 7846. DOI: 10.1038/s41598-017-08255-9. PMID: 28798476Kozlova E, Chernysh A, Moroz V, Sergunova V, Gudkova O, Manchenko E. Morphology, membrane nanostructure and stiffness for quality assessment of packed red blood cells. Sci. Rep. 2017; 7 (1): 7846. DOI: 10.1038/s41598-017-08255-9. PMID: 28798476Ишутина Н. А., Андриевская И. А. Изменение показателей свободно-радикального статуса, антиоксидантной защиты и морфологические изменения эритроцитов периферической крови беременных первого триместра с цитомегаловирусной инфекцией. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2018; 68: 57–62. DOI: 10.12737/article_5b18ba014d2d06.81485843Ishutina N. A., Andrievskaya I. A. Changes in indicators of free-radical status, antioxidant defense, and morphological changes in peripheral red blood cells of pregnant women in the first trimester with cytomegalovirus infection. Byulleten fiziologii i patologii dykhaniya. 2018; 68: 57–62. [In Russ.] DOI: 10.12737/article_5b18ba014d2d06.81485843Львов С.Е., Назаров С.Б., Молчанов О.С., Пахрова О.А. Особенности поверхностной архитектоники эритроцитов при заболеваниях тазобедренного сустава. Вестник Ивановской медицинской академии. 2008; 13 (1–2): 46-49.Lvov S.E., Nazarov S.B., Molchanov O.S., Pakhrova O.A. Features of the surface architectonics of red blood cells in diseases of the hip joint. Vestnik Ivanovskoj medicinskoj akademii. 2008; 13 (1–2): 46–49. [In Russ.]Chignard M., Le Couedic J. P., Tence M., Vargaftig B. B., Benveniste J. The role of platelet-activating factor in platelet aggregation. Nature. 1979; 279: 799–800. DOI: 10.1038/279799a0Chignard M., Le Couedic J. P., Tence M., Vargaftig B. B., Benveniste J. The role of platelet-activating factor in platelet aggregation. Nature. 1979; 279: 799–800. DOI: 10.1038/279799a0

The authors declare that there are no conflicts of interest present.