Detection of the red blood cells adhesion to the vascular endothelium using microfluidic chip in beta thalassemia patients

Abstract

Beta thalassemia is a hereditary genetic disorder affecting the hematopoietic system, primarily due to mutations in the beta globin gene. The disease is characterized by ineffective erythropoiesis resulting from reduced or absent beta globin production, leading to low or no production of hemoglobin A. This deficiency causes an accumulation of free alpha globin chains in the cytoplasm of erythroid cells, which disrupts their physiology. The free α-globin chains aggregate and precipitate, causing cytotoxic effects, oxidative stress, and decreased survival of erythroid cells, leading to high levels of hemolysis. The hemolysis of red blood cells (RBCs) releases hemoglobin and heme into plasma. Extracellular hemes are highly proinflammatory, activating immune and endothelial cells (ECs), contributing to the disease's pathogenesis. EC activation leads to the overexpression of adhesion molecules and increased RBC adhesion to ECs. Beta thalassemia patients exhibit altered RBC flow characteristics, causing microcirculatory issues. However, the mechanisms and molecules involved in RBC adhesion in beta thalassemia remain not fully understood. This study investigated RBC adhesion in beta thalassemia major (BTM) patients under flow conditions using a microfluidic chip with microchannels functionalized with 40 μM heme-activated HUVECs, fibronectin, and laminin. Increased RBC adhesion in BTM patients in microchannels functionalized with 40 μM heme-activated HUVECs and fibronectin was demonstrated compared to laminin. There were significant positive correlations between hemoglobin, WBC, platelet values, and adherent RBC number in microchannels functionalized with fibronectin. Application of Forskolin (activator of adenylyl cyclase) and SQ22536 (inhibitor of adenylyl cyclase) indicated that RBC adhesion could be altered by targeting the AC-cAMP-PKA signaling pathway. RBC deformability was also assessed, showing a slight decrease after shear stress at high shear stress levels for untreated patient blood, with Forskolin and SQ22536 impairing deformability compared to the vehicle after shear stress. Lastly, plasma hemoglobin concentration was higher in beta thalassemia major patients' plasma samples than healthy controls. These data highlight the importance of VCAM-1 and fibronectin for RBC adhesion in BTM patients and the effects of targeting the AC-cAMP-PKA signaling pathway on RBC deformability and adhesion. This study has contributed to understanding the pathophysiology of beta thalassemia major patients and importance of targeting AC-cAMP-PKA signaling pathway. This underscores the need for these studies to be conducted with a larger patient cohort to gain more thorough insights.Beta talasemi, beta globin genindeki mutasyonların sebep olduğu hematopoietik sistemi etkileyen kalıtsal bir genetik bozukluktur. Hastalık, beta globin zincirinin üretiminin azalması veya yokluğu sonucu oluşan etkisiz eritropoez ile karakterize edilir ve hemoglobin A'nın düşük veya hiç üretilmemesine yol açar. Bu eksiklik, eritroid hücrelerin sitoplazmasında serbest alfa globin zincirlerinin birikmesine neden olur ve bu da fizyolojilerini bozar. Serbest alfa globin zincirleri kümelenir ve çöker, sitotoksik etkilere, oksidatif strese ve eritroid hücrelerin hayatta kalma oranının azalmasına neden olarak yüksek hemolize yol açar. Kırmızı kan hücrelerinin (RBC'ler) hemolizi, hemoglobin ve hem'i plazmaya salar. Hücre dışı hemler, bağışıklık ve endotel hücrelerini (EC'ler) aktive ederek hastalığın patogenezine katkıda bulunur ve oldukça proinflamatuardır. EC aktivasyonu, adezyon moleküllerinin aşırı ekspresyonuna ve EC'lere artan RBC adezyonuna yol açar. Beta talasemi hastaları mikrosirkülasyon sorunlarına neden olan değişmiş RBC akış özellikleri sergilerler. Ancak, beta talasemi hastalarında RBC adezyonunda yer alan mekanizmalar ve moleküller henüz tam olarak araştırılmamıştır. Bu çalışma, 40 μM hem aktiveli HUVEC'ler, fibronektin ve laminin ile işlevselleştirilmiş mikrokanallara sahip bir mikroakışkan çip kullanılarak akış koşulları altında beta talasemi majör (BTM) hastalarında RBC yapışmasını araştırmıştır. 40 μM hem aktiveli HUVEC'ler ve fibronektin ile işlevselleştirilmiş mikrokanallarda BTM hastalarında laminin ile karşılaştırıldığında artmış RBC adezyonu gösterilmiştir. Fibronektin ile fonksiyonlandırılmış mikrokanallarda hemoglobin, WBC, trombosit değerleri ve kırmızı kan hücresi adezyonu arasında anlamlı pozitif korelasyonlar gözlemlendi. Forskolin (adenil siklaz aktivatörü) ve SQ22536 (adenil siklaz inhibitörü) uygulaması, AC-cAMP-PKA sinyal yolunu hedefleyerek kırmızı kan hücresi adezyonunun değiştirilebileceğini gösterdi. Kırmızı kan hücresi deforme edilebilirliği de değerlendirildi ve hasta kanında yüksek kayma gerilimi seviyelerinde kayma geriliminden sonra hafif bir azalma gösterilmiştir; kayma gerilimiyle birlikte Forskolin ve SQ22536' nun deforme edilebilirliği değiştirdiği de gözlenmiştir. Son olarak, plazma hemoglobin konsantrasyonu, beta talasemi majör hastalarının plazma örneklerinde sağlıklılara kıyasla hemoglobinin daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bu veriler, BTM hastalarında RBC adezyonu için VCAM-1 ve fibronektinin önemini ve AC-cAMP-PKA sinyal yolunu hedeflemenin RBC deforme edilebilirliği ve adezyonu üzerindeki etkilerini vurgulamaktadır. Bu çalışma, beta talasemi majör hastalarının patofizyolojisini ve AC-cAMP-PKA sinyal yolunu hedeflemenin önemini anlamaya katkıda bulunmuştur. Bu, daha kapsamlı bilgiler elde etmek için bu çalışmaların daha büyük bir hasta kohortuyla yürütülmesi ihtiyacını vurgulamaktadır.