关键词: 心肌梗塞；红细胞膜；弹性模量；粘性系数；微管吸吮

本文采用微管吸吮实验技术研究了正常健康人与心肌梗塞患者红细胞在吸进微管的变形过程，采用二维Kelvin模型拟合实验结果，定量地比较了正常人与心肌梗塞患者红细胞膜的粘弹性，结果表明：心肌梗塞患者红细胞膜的弹性模量(5.72±1.77)×10^-1dyn/cm)与正常人((5.36±0.56)×10^-1dyn/cm)无十分明显差异，而粘性系数((4.39±1.72)×10^-4dyn^．s/cm)明显高于正常健康人((1.91±0.96)×10^-4dyn^．s/cm)红细胞粘滞性增大，变形能力降低，这可能正是造成患者心肌供血不足，以致梗塞的主要因。

分类号： R318.01; R331.1⁺41

EXPERIMENTAL STUDIES ON VISCOELASTIC PROPERTIES OF

ERYTHROCYTE MEMBRANE OF MYOCARDIAL INFARCTION

Li Zishuang, Huang Lan

(Physics Department of Guangxi University, Nanning 530004)

Zhang Xianquan

(Mathematics Department of Guangxi Teachers University, Guiling 541004)

Cai Shaoxi,Wu Yunpeng

(Bioengineering Institute of Chongqing University, Chongqing 400044)

ABSTRACT

The deformation of a portion of erythrocyte during aspiration entry into a micropipette was analyzed, the experiment results was worked out by two-dimensional Kelvin model, and the viscoelastic properties of erythrocyte membrane of the myocardial infarction patients was quantitatively compared with those of the normal people. The results showed that the erythrocyte membrane elastic modulus of myocardial infarction patients(5.72±1.77)×10^-1dyn/cm was almost the same as that of the normal people(5.36±0.56)×10^-3dyn/cm), but the erythrocyte membrane viscosity of the myocardial infarction patients(4.39±1.72×10^-4dyn^．s/cm) was significantly higher than that of the normal people(1.91±0.96×10^-4dyn^．s/cm)dyn/cm). The deformation of erythrocyte of myocardial infarction patient was reduced and the viscoelasticity increased. These changes caused the blood supply insufficient and myocardial infarction.

Key words:Myocardial infarction; Erythrocyte membrane; Elastic modulus; Viscosity; Micropipette aspirate

0引 言

红细胞力学性质的最大特点是它能够在保持其表面积恒定或变化很小的情况下发生很大的变形。这使得红细胞在通过微血管时可发生各种形状的变形，以保障微循环的畅通，又不因此而减小其与外界进行气体交换的面积，保证新陈代谢正常进行。不论红细胞在微血管中的变形如何显著，一旦进入大血管或处于静止状态，则可在很短的时间内恢复原状。这说明红细胞可以看作是一弹性体，弹性越好，变形能力越强。但红细胞的弹性只表现在有效的应力范围内，在较广的应力范围内，红细胞是既有弹性，又有粘性的粘弹性体，甚至在极高的应力下表现出粘塑性的特征^［1］。

红细胞膜的生物物理特性在细胞的各种特性中起着十分重要的意义，而由于红细胞相对容易收集^［2，3］，所以我们常用红细胞膜作为研究膜的生物物理特性的模型，由于它们在健康和病理的血液流动中起重要作用。所以，红细胞膜的粘弹性是我们特别感兴趣的领域。微玻璃管吸吮实验技术是本世纪70年代中末期开始发展起来的一种研究单个细胞或细胞对的变形和粘附的重要手段^［4，5］，它是用一根直径很细的微管采用负压，把细胞膜的一部分吸进管内。从实验中可以测出被吸入部分长度，以吸入长度和负压的相应关系来分析计算出红细胞膜的弹性系数和粘性系数，以说明膜的力学特性和细胞间的相互作用。由于红细胞结构的简单性及变形过程的典型性，愈来愈多的学者采用包括微管吸吮技术在内的多种手段，在红细胞变形的时间过程、理论模型等方面进行了大量的研究^［1，5］。本文采用微管吸吮技术，定量地讨论了心肌梗塞病患者红细胞膜的粘弹性。

1微管吸吮实验器材及方法

1.1试剂

PBS液(NaCl,13.7931g;Na₂HPO₄·12H₂O,15.2681g;KH₂PO₄,1.3609g;蒸馏水，2000ml;pH7.4，用2μm滤膜过滤)，0.9%生理盐水，10%的NaOH溶液。

1.2试样

心肌梗塞病患者20例：50～70岁，均为男性，由重庆市中医研究所提供；正常对照组血液10例：50～65岁，均为男性，由重庆市中医研究所提供。

1.3器材

烘箱及消毒蒸锅，小腔室(Chamber),油镜(100/1,30)，拉针器(SUTTER INSTRUMENT CO.U.S.A MDEL P-87)，显微镜(GLIB2-74WB)，计算机监视系统，(CONTRON ELECTRON IC VIDAS)，倒置显微装置(OPTON AXLDVERT 35)，微操作器(配套)(EPPEND ONF MICROMANIPULATOR 5110)，光源，压力系统(计算机、步进电机)，微量注射器，微玻璃管(中科院上海脑研所)。

1.4实验方法

1.4.1微管准备

调整拉针器内部程序，直至将管子拉制直径为1.8μm左右的微管，要求管尖平整光滑，变化梯度不宜太大。制好的微管中用微量注射针灌满过滤的PBS液，在光学显微镜下观察，要求不得有任何一个小气泡或杂质夹在管内。

1.4.2压力系统准备

压力系统内液为0.9%的生理盐水。排出管道中的所有气泡，将充满液体的微管装在夹针头上，其管口大的一端和压力系统相联，再经过夹针头固定于微操作器上。压力通过计算机控制步进电机，以调整两个玻璃瓶高度差来实现。实验过程中，只要操作计算机就可自动得到预想的压力值(调整压力时，先和微管处切断)。

1.4.3红细胞准备

从受试者静脉抽取血液1ml，肝素抗凝混合均匀。离心5min，转速2000rpm，倾去血清及白细胞等悬浮物，用PBS液洗涤3次，最后配成一定浓度的红细胞悬浮液。

1.4.4红细胞在微管中的变形和恢复过程

打开光源，将灌好PBS液的针在微操作器上装好，并调节零点压力，使管内外压力平衡，将准备好的血样悬液约0.5ml注入一特定圆形小腔(Chamber)内，置于倒置显微镜操作平台上，放在油镜上观察，图象同时通过摄像镜头、录像机、监视器相联，记录实验中红细胞变形，其结构框图如图1。

图1微管吸吮系统结构框图

特别小心地操作微操作器，先使微管进入小腔室(Chamber)，再慢慢调整，使管尖和Chamber内的细胞处于同一平面上，并且使微管位置处在监视屏中。调整零位压力器，使管尖处细胞不吸入微管，也不被吹移离开微管，此时零位调节完毕。关闭零位调节器和微管处的压力开关，接通零位调节器和连接瓶的压力，将压力置于预想值，同时打开微管处的压力开关和记录键，记录细胞吸进微管过程，摄制完后，轻放压力，准备另一个细胞的吸吮过程。所有实验均在20℃左右进行，约4h完成。

1.4.5计算与统计分析

在微管吸吮试验中，红细胞变形分析是基于在一个无限大平面上，红细胞膜的一部分被吸入到半径为R_p的管子里，并假定在红细胞膜变形的每一时刻均处于动态平衡状态，膜张力在管口边缘连续，管口摩擦力可忽略不计。

参照Chien等半球状帽子模型理论^［5］，用Kelvin模型拟合实验结果，该模型由一个模量为μ的弹性元件和一个系数为η的粘性元件并连而成。设在t时刻红细胞膜被吸进微管长度为D_p，在2s的记录时间内所达到的最大长度为D_pm，则有^［5］：

(ΔP)R_p/μ=2Xm-1+Ln(2Xm)(1)

τ=-a/｛4［dLn(D_pm-D_p)/dt］｝(2)

η=μτ(3)

式中，ΔΡ为所施加的阶跃负压，R_p为微管内半径，Xm=D_pm/R_p,τ为所记录变形过程的时间τ常数，a为在区间［1,Xm］内(1)式线性拟合所得的常数。

即：

(ΔP)R_p/μ=2Xm-1+Ln(2Xm)=aX+b(4)

方程(4)被拟合为^［5］：

a=2.45,b=-0.603