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编号:10498227
细胞流变学研究进展及发展方向
http://www.100md.com 《苏州大学学报(医学版)》 1999年第8期
     作者:王天佑

    单位:苏州医学院神经科学研究所血液流变学研究室,苏州,215007

    关键词:

    苏州医学院学报ACTA ACADEMIAE MEDICINAE SUZHOU1999年 第19卷 第8期 Vol 70年代末,在美籍华人科学家、中科院外籍院士冯元桢教授倡导下,血液流变学理论在我国引起较大反响并得到学术界的重视,许多从事力学、生物物理、生物医学工程的工程技术人员以及临床医学研究人员对此表示了极大的兴趣,纷纷投入此领域的研究,并及时将国外生物流变学与血液流变学的理论、方法以及发展水平通过著作的翻译介绍到国内来,其中重要的有:冈小天(日)著《生物流变学》[1]、《心血管流变学》[2],丁坦法思(澳)著《血液流变学在诊断及预防医学中的应用》[3],施密德(德)著《图解血液流变学》[4]以及冯元桢教授回国讲学并出版《生物力学》[5]等著作。同时国内学者编著出版了大量专著,主要有《血液流变学》[6],《血液流变学研究方法及其应用》[7]、《血液流变学及其临床应用》[8],《血液流变学基础与临床》[9],《实用临床血液流变学》[10]等。随着理论的普及,流变学与临床密切结合,迅速推广到预防、诊断、治疗中,为临床诊治提供了更多的信息,增加了新的视角和方法。但是因为宏观血液流变学指标不具特异性,不能满足临床检测中日益深入发展的需要,在临床应用中急需向微观血液流变学发展,作为向分子流变学发展的中间层次,细胞流变学的研究必将进入医学临床应用的“主打战场”,因此有必要对近年来细胞流变学研究给予回顾与展望。
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    1 宏观流变学与细胞流变学

    1951年,在美国物理学会第25届年会上,Copley提出“血液流变学(hemorheology)”一词,并把它定义为“血液流变学是从宏观、微观以至亚微观水平研究血细胞及血浆成分的变形与流动性质,并包括与血液直接接触的血管的流变性质”[11]。这一定义以简洁的语言科学地描述了学科的研究范畴、层次、对象和方法,奠定了血液流变学理论的基础。

    血液流变学的发展是由宏观到微观的。最先从事的是宏观血液流变学的研究,即把血液视为连续介质,研究全血在各种流动条件下的表观粘度、血浆粘度、血液及管壁的应力分布。然后,在细胞水平上研究血液流变性,尤其是红细胞的可变形性、聚集性、红细胞表面电荷、白细胞的流变性,如白细胞的变形性、白细胞在微循环中的影响作用、与内皮细胞相互作用、白细胞的趋边、粘附特性、血小板的流变与聚集性等等。这就是细胞流变学。近年来,从分子水平研究血液成分的流变性,即分子血液流变学的研究也有很大进展,本文就不对此多述了。
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    2 细胞流变学研究的意义和几个发展阶段

    细胞流变学是研究细胞流动和变形行为的一门学科,它来源于宏观流变学的深入研究,并独立地发展起来,是生物流变学在向微观方向深化过程中在细胞层次上的具体展现。

    2.1 细胞流变学研究的意义

    2.1.1 在理论上,细胞流变学既是阐明宏观流变现象机理的理论基础,又是分子流变学发展的桥梁和必要的中间层次;

    2.1.2 在生理学上,细胞流变学能够在更深层次的细胞水平上定量地解释体液、组织等生理活动和作用规律;

    2.1.3 在病理学上,细胞流变学能从细胞层次上探索体液、组织及周围环境的病理现象,阐明疾病发生、发展、治疗及恢复过程的机制,寻求改善病变过程的新技术、新方法和新手段,使其在临床应用上不再局限于辅助诊断及预测和预后,而且能够利用物理学和工程学的方法来解决治愈疾病的根本目的。
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    2.2 细胞流变学研究的三个阶段

    细胞流变学是一个跨学科的综合性科学分支,涉及宏观流变学、分子流变学、细胞生物物理学等多种学科,并在研究方法和手段上采用电子显微镜、图像及计算机处理系统等多种信息技术和先进的测试手段,因此它随着科学技术的发展而不断深入与趋于完善。细胞流变学的研究历程可大致分为三个阶段。

    2.2.1 起步阶段(本世纪60年代初期~70年代中期):细胞流变学研究开始于60年代中期,但直至70年代中期,尚未形成一门独立的学科,其研究成果大多作为血液流变学研究的“衍生物”而问世。这阶段研究重点是红细胞,采用粘性测量法评价了红细胞的可变形性和聚集性。

    2.2.2 完善阶段(70年代中期~80年代初期):随着微吸管技术、流动腔技术等新技术的出现和完善,使得对单个细胞流变行为的研究成为可能,从而使细胞流变学研究产生了质的飞跃,得以全面、系统的展开。这一阶段的主要研究对象仍然是红细胞,从不同角度独立地考查了单个红细胞在一定负压作用下在微吸管内的变形过程,并从实验和理论两个方面分析了红细胞的粘弹特性。这阶段对白细胞和其它细胞的流变特性研究的报道也已出现。
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    2.2.3 全面发展阶段(80年代初期至今):随着细胞生物物理学、细胞生物化学、分子生物学、分子遗传学等新兴学科的发展,出现了许多应用细胞流变学研究的原理和方法能够解决的科学问题,这又极大地促进了细胞流变学研究的发展和深入,加之研究手段更加先进,设备更趋精密,技术进一步完善,从而使得细胞流变学成为生物流变领域中最前沿的研究分支之一。这一阶段研究对象范围广泛,包括红细胞、白细胞、血小板、淋巴细胞、免疫细胞及其它细胞,并逐步开始接触临床上的实际问题。

    3 细胞流变学研究的进展3.1 细胞流变学测定技术的进展

    细胞流变学研究建立在测定技术的不断发展和更新的基础上。目前,比较成熟的技术手段主要有以下几方面。

    3.1.1 微吸管技术(micropipette aspiration)

    此法系1954年Mitchson等发明,现已广泛应用于测量红细胞的变形性。红细胞越易被吸入微管内,就表示它越易变形。方法学上有三种设计。此法优点是可测量单个红细胞的变形能力,但操作技术复杂而费时。
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    3.1.2 激光衍射技术(ektacytometer)

    本法由Bessie等首先提出并研制成激光衍射仪,把稀释的红细胞悬浮液放入回旋透明同心圆柱体粘度计中,剪切力使细胞变形,当一束激光垂直样品层透射时,可在屏幕上得到反映截面形状大小的叠加衍射图像,此图像可照相记录或直接地进行测量分析。

    3.1.3 微孔滤筛法(nuclear pore)

    1967年由Gregresen首先提出用孔径一致的聚碳酸脂滤筛研究细胞变形性。细胞通过滤膜所需时间或细胞通过滤膜的压力——流量关系可作为变形能力的量度。

    3.1.4 流动腔技术(flow chamber)

    设计一种狭缝流动测试系统,通过摄录系统记录单个细胞变形过程以及回放录像带测量单个细胞的变形过程,可直接定量地得到在一定流量的缓冲溶液剪切作用下,粘附于底板的细胞粘弹性特性。
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    还有粘度测量法、锥板旋转流变仪测定法等技术手段应用于细胞流变学研究之中,为细胞流变学深入发展创造了条件。

    3.2 细胞流变特性及其与疾病相关性研究进展

    近年来,不少学者考察了细胞(尤其是血细胞)的流变特性和力学行为。KLP Sung和S Chien和Evans等分别独立地考察了单个红细胞膜在一定负压作用下变形的时间过程和特性,建立了红细胞膜及胞内液的粘弹性模型,得到了与实验值符合得很好的理论结果。KLP Sung等亦致力于应用微管吸吮技术分析和评价单个白细胞的粘附特性和变形特性,建立了相应的理论模型来描述整个细胞的力学行为,同时,与膜生物物理学和基因工程相结合,考查了免疫因子、病理因素等对白细胞力学行为的影响。重庆大学生物工程研究院采用平面流动腔技术,设计和建立了一种狭缝流动测试系统,用于评价单个细胞的粘弹性特性,提供了一种能直接定量地测定单个细胞变形能力的方法。第三军医大学新桥医院心内科也对动脉粥样硬化进程与细胞流变特性相关性、不稳定性心绞痛患者白细胞膜脂流变特性变化及其意义和冠心病红细胞变形性及其与膜收缩蛋白相关性等进行探讨研究,此外,国内外对溶血性贫血、缺血性疾病、疟疾、糖尿病、高脂血症、酸中毒、缺氧症、肝硬化、妊高征等疾病都进行细胞流变性方面的研究,以助于阐明其病因或发病机理,并且在药物作用机制及疾病的防治方面进行了细胞流变特性的研究。
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    迄今为止,有关细胞流变学的研究虽然较多地集中在人红细胞、白细胞、血小板、淋巴细胞等领域,但是关于细胞间相互作用规律、细胞力学特性与免疫学和遗传学的相关性等方面的研究在临床上显示出巨大的应用潜力。目前的研究成果有如下几个特点:(1)从群体细胞、间接测试的方法向单个细胞、直接测试的方法方向发展;(2)从定性分析向定量分析方向发展;(3)从正常细胞向病理细胞,从普遍的粘弹性特性分析向特定的生物物理学及生物化学特性分析方向发展;(4)细胞流变学研究与细胞免疫学、基因及遗传工程、分子生物学研究相结合等等。

    4 细胞流变学未来的发展方向

    根据细胞流变学研究进展,我们认为细胞流变学未来发展方向和研究课题包括:

    4.1 关于细胞流变学的基础研究将更加全面和深入,特别是对白细胞、免疫细胞、淋巴细胞及其它细胞的流变特性的研究将得到进一步的发展和深入。
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    4.2 以细胞及其流动通道(如毛细血管等)组成的系统为研究对象,在模拟生理流动的状态下考察细胞之间、细胞与通道之间的相互作用规律(生理的、流变学的、生物物理的、生化的等等)。

    4.3 注重临床应用,研究病理细胞的流变特性及其与疾病发生、发展、治疗和恢复过程的相关性。

    4.4 细胞流变学与免疫学和分子生物学以及基因工程学和遗传工程学的相关性研究。

    4.5 细胞受精卵在其分裂和增殖过程中的变形和运动等等。

    当然,随着细胞流变学研究的发展和完善,随着与相关学科交叉和渗透,随着测试技术和研究方法的更新改进,将会有新的、更多的与细胞流变学相关的课题(如基因治疗、组织的康复和神经细胞的再生长),细胞流变学将不仅是血液流变学向微观层次的延续和深入,而且它与细胞及分子生物学,基因工程等相关学科的结合,使得在临床上的应用向更深层次的根本性问题即治疗这一目的发展。
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    参考文献

    1 冈小天著.生物流变学.吴云鹏,陶祖莱,文宗曜,等译.北京:科学出版社,1980

    2 冈小天著.心血管血液流变学.康振黄译.北京:计量出版社,1984

    3 丁坦法思著.血液流变学在医学诊断和预防中的应用.廖福龙等译.北京:科学出版社,1982

    4 施密德著.图解血液流变学.廖福龙等译.北京:科学出版社,1989

    5 冯元桢著.生物力学.北京:科学出版社,1983

    6 王天佑.血液流变学.乌鲁木齐:新疆人民卫生出版社,1989

    7 翁维良,廖福龙,吴云鹏,等.血液流变学研究方法及其应用.北京:科学出版社,1989
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    8 陈杯卿.血液流变学及其应用.成都:四川教育出版社,1989

    9 严宗毅,魏茂元,于天文.血液流变学——基础应用.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1993

    10 王怡,王仰宗,翁维良,等.实用临床血液流变学.北京:学苑出版社,1994

    11 Copley, A. L. The Rheology of Blood. A Survey. J. Colloid Sci. 7, 323-333,1952

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    执行主编 王天佑, 百拇医药