Computational model for the adhesion between red blood cells and their deformation

Abstract

Peripheral vascular disease affects between 3 and 10% of the Portuguese population and is characterized by total or partial blockage of the blood vessels. One of the biggest difficulties regarding this disease is being able to distinguish which patients are at a higher risk, especially in cases where they are asymptomatic. By studying the interaction between erythrocytes in different concentrations of fibrinogen (a protein present in blood plasma that promotes erythrocyte adhesion) it is possible to establish new methods to identify which patients are at higher risk in the earlier stages of the disease. One way to study the adhesion between two erythrocytes is through the micropipette aspiration assay. During the micropipette aspiration assay, each erythrocyte is attached to a micropipette and, while one of them remains static, the other moves linearly until the erythrocytes are in contact with a certain contact force. Afterwards, the same micropipette moves backward until the erythrocytes separate from each other. A simulation of this micropipette aspirationassay was implemented with the aim of providing a tool to quantify cell-cell adhesion from the observed cell deformation during cell separation. This simulation was done through a phase-field model. Firstly, the shapes of both erythrocytes were simulated, followed by the simulation of the micropipettes, and finally, the velocity was added to the non-static micropipette. This simulation allows to study the adhesion between two erythrocytes and how different values of adhesion are related to cell deformation. Eventually, this tool can create better quantitative methods to measure erythrocyte adhesion in peripheral vascular disease patients.

A doença vascular periférica afeta entre 3 e 10% da população portuguesa e carateriza-se pelo bloqueio, total ou parcial, dos vasos sanguíneos. Uma das maiores dificuldades associadas a esta doença é distinguir entre os pacientes com maior risco,principalmente nos casos em que estes são assintomáticos. Ao estudar a interação entre eritrócitos em diferentes concentrações de fibrinogénio (uma proteína presenteno plasma sanguíneo que promove a adesão entre eritrócitos) é possível estabelecer novos métodos de identificação dos pacientes com maior risco ainda nas fases iniciais da doença. Uma forma de estudar a adesão entre eritrócitos é através da técnica de aspiração por micropipeta. Durante a experiência, cada eritrócito está acoplado a uma micropipeta e, enquanto uma permanece estática, a outra move-se linearmente até que os eritrócitos entrem em contacto, com uma certa força. Depois, a mesma micropipeta, move-se no sentido oposto até que os eritrócitos se separem. Um modelo de simulação matemático da técnica de aspiração por micropipeta foi implementado com o objetivo de fornecer uma ferramenta para quantificar a adesãocélula-célula a partir da deformação celular observada durante a sua separação. Esta simulação foi efetuada usando um modelo de campo de fase. Numa primeira fase, foram simulados ambos os eritrócitos, seguida da simulação de ambas as micropipetas e, finalmente, foi adicionada velocidade à micropipeta não estática. Esta simulação permite estudar a adesão entre dois eritrócitos e como diferentes valores de adesão se relacionam com a deformação celular. Eventualmente esta ferramenta poderá levar à criação de melhores métodos quantitativos para medir aadesão dos eritrócitos em pacientes com doenças vasculares.