Полосы в клетках крови раскрывают новые ключи к диагностике заболеваний и пониманию природных узоров

Исследователи из Бристольского университета (Великобритания) и Саарландского университета (Германия) показали, что причина образования полосчатых узоров, наблюдаемых в природе (например, у зебр или в стаях птиц), может скрываться в человеческих эритроцитах. Их открытие может привести к улучшению диагностики заболеваний крови.

Объяснение полос в эритроцитах

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что полосчатые узоры, появляющиеся при центрифугировании эритроцитов, в первую очередь вызваны притяжением и адгезией клеток друг к другу, а не, как считалось ранее, процессом старения и потерей воды.

Соавтор работы доктор Алексис Даррас, преподаватель физики в Бристольском университете, заявил: «Наше исследование опровергает прежние представления и подтверждает, что реальная причина — не потеря воды, а агрегация клеток».

Когда эритроциты центрифугируют в растворе, плотность которого постепенно увеличивается сверху вниз, возникает нерегулярный узор: клетки собираются в красные «полосы» сверху вниз, с белыми промежутками, где клеток меньше.

Доктор Даррас объяснил: «Более старые клетки имеют более высокую плотность, так как оставшийся гемоглобин тяжелее воды. Поэтому при центрифугировании старые клетки оседают на дно, а более молодые и легкие скапливаются наверху».

Как эксперименты раскрыли новые детали

В экспериментах физики смешивали эритроциты со средой из воды, солей и наночастиц и центрифугировали их.

Соавтор Феликс Маурер, аспирант Саарландского университета, сказал: «Как воздушные шары в атмосфере Земли, эритроциты распределяются так, что каждая клетка остается на высоте равновесия — точке, где её средняя плотность равна плотности окружающей среды».

Результаты показали, что образование полос обусловлено большим количеством клеток. «Узор возникает только при взаимодействии очень многих клеток. В нашем эксперименте в одной пробирке было около миллиарда клеток. При уменьшении их числа мы наблюдали совершенно другое поведение», — добавил Феликс. — «Без агрегации, то есть без слипания клеток, они распределяются равномерно, и полосы не образуются».

Типичный полосатый узор формируется только из-за скопления множества клеток в ограниченном пространстве в сочетании с действием силы тяжести.

Значение для диагностики и понимания природы

Эти новые данные могут проложить путь к новым диагностическим подходам для заболеваний крови, таких как серповидноклеточная анемия, при которой клетки деформируются, а их течение и поведение при слипании меняются.

Соавтор Кристиан Вагнер, профессор физики Саарландского университета, сказал: «Например, при серповидноклеточной анемии появляется другой полосатый узор, и до сих пор никто не мог объяснить почему».

Другая часть исследования посвящена тому, как узоры и структуры возникают в природе. Чтобы изучить это, физики создали математическую модель на основе так называемой динамической функциональной теории плотности, которая предсказывает движение и самоорганизацию частиц во времени на основе их взаимодействий.

Профессор Вагнер сказал: «Уравнение, подобное разработанному нами, также описывает полосы зебры, стаи птиц и отпечатки пальцев. В нашем случае короткодействующие взаимодействия между отдельными клетками приводят к предпочтительной ширине и расстоянию между полосами. Поразительно, что конкретные наблюдения за клетками крови в лаборатории помогают нам лучше понять фундаментальные законы природы».