Важнейшим параметром эритроцитов, обеспечивающим их беспрепятственное движение по кровеносному руслу, является отрицательный заряд поверхности. О величине клеточного заряда принято судить по их электрокинетическому потенциалу (ЭКП) и экспериментально измеряемой скорости передвижения клеток в электрическом поле - электрофоретической подвижности (ЭФП) (Elblbesy MA, 2017). Снижение поверхностного потенциала эритроцитов, уменьшая силы электростатического отталкивания клеток, усиливает их агрегацию, изменяет вязкость крови, инициирует процесс тромбообразования (Sheremet'ev IuA, 2013). В силу этого сохранение оптимальной величины заряда эритроцитов как в состоянии покоя, так и при функциональных нагрузках имеет первостепенное значение для поддержания суспензионной устойчивости и необходимых реологических характеристик движущейся крови. Естественно, что информация о закономерностях и механизмах обеспечения такой стабильности представляет не только теоретический, но и практический интерес.

Проведенные нами исследования ЭФП эритроцитов (ЭФПЭ) в норме, патологии, физическом и эмоциональном напряжении организма показали, что решению этих задач может способствовать дифференциальный подход к изучению эритроцитарной популяции (Матюшичев В.Б., 2007). С этих позиций эритроциты периферической крови рассматривались не как гомогенная масса функционально тождественных клеток, а как клеточная популяция, состав и динамика которой отражают мембранные функции и метаболизм отдельных клеток, влияние плазменных факторов, деятельность органов продукции и деструкции эритроцитов. При таком подходе удалось установить, что биоэлектрический гомеостаз эритроцитов достигается главным образом благодаря перераспределению их отдельных субпопуляций в пропорциях, способных обеспечить сохранение оптимального суммарного уровня ЭКП.

Цель работы заключалась в изучении вклада мембранных механизмов в регуляцию электрокинетических свойств эритроцитарных популяций при стрессе.

Методы. Обследовали группу студентов (n=20) в возрасте 18-19 лет, находящихся в состоянии экзаменационного стресса, и ту же группу лиц в состоянии эмоционального и физического покоя (контроль). ЭФП эритроцитов определяли методом микроэлектрофореза в аутоплазме, разведенной в среде Рингера. Для количественной оценки качественных особенностей структуры популяций использовались параметры формы распределения ЭФПЭ. Помимо обычно учитываемых средних величин, в расчет принимались параметры гистограмм: коэффициенты асимметрии (As) и эксцесса (Ex), позволяющие выделить в общей популяции отдельные субпопуляции эритроцитов и оценить степень их гетерогенности. Активность Na,K-АТФазы оценивали путем добавления строфантина в 10-5 М.

Результаты. Первичные процессы, лежащие в основе изменения баланса субпопуляций эритроцитов с разным зарядом, могут реализовываться на разных уровнях, начиная с мембранного и заканчивая системным. Учитывая, что в формировании ЭКП клетки участвует наряду с относительно пассивной (поверхностный заряд) активная составляющая, отражающая проницаемость мембран и работу ионных насосов, можно допустить, что к динамике процессов перераспределения субпопуляций эритроцитов по их ЭКП причастны ионтранспортные мембранные системы (Krylov VN, 2014). Универсальным звеном, осуществляющим метаболическую саморегуляцию рецепторных и электрических свойств мембран, является Na, К-насос. О влиянии Na, К-насоса на электрокинетические свойства эритроцитов свидетельствует наличие корреляций между величиной ЭФПЭ и активностью Na, К- АТФазы эритроцитарных мембран. У студентов находящихся в состоянии стресса статистически значимо увеличивается ЭФПЭ, за счет увеличения доли клеток с повышенным ЭКП. Под влиянием строфантина ЭФПЭ снижается, благодаря ингибированию насосов субпопуляции клеток с повышенным ЭКП. В состоянии эмоционального равновесия изменения средних величин ЭФПЭ и параметров распределения под влиянием строфантина не наблюдалось. Способность строфантина подавлять работу насоса распространяется лишь на однородные субпопуляции (положительный Ex), отличающиеся более высоким, чем в среднем по популяции, ЭКП (отрицательная As). При эмоциональном и физическом напряжении организма доля таких субпопуляций в общем пуле возрастает, указывая на усиление функций Na,К -насоса. Что касается преобладания в популяции клеток с пониженным уровнем ЭФП, то здесь наблюдается как отсутствие реакции на действие ингибитора, так и некоторое повышение ЭКП, свидетельствуя об изменении состояния мембраны, в частности, ее проницаемости. К числу факторов, обусловливающих деструктивные изменения в мембранах, очевидно, можно отнести активацию свободнорадикальных процессов, негативное влияние плазменного окружения, рН среды и др.

Таким образом, в условиях относительного динамического равновесия процессов продукции и разрушения эритроцитов, к перераспределению баланса субпопуляций причастны механизмы ауторегуляции, реализующие свое действие главным образом на мембранно-клеточном уровне. Проведенные нами эксперименты с использованием in vitro ингибитора Na, К-насоса строфантина (10-5 М) показали, что ингибирующее действие строфантина прослеживается только в отношении субпопуляции клеток с повышенной ЭФПЭ.

Список литературы

1. Krylov VN, Deriugina AV, Konstantinova AI. [Electrophoretic mobility and activity Na,K-ATPase of erytheocytes in rats under stress]. Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova. 2014 Nov;100(11):1297-302. Russian. PMID: 25665408.

2. Elblbesy MA, Moustafa ME. The Impact of Biophysical Properties of Erythrocytes on their Aggregation. Int J Biomed Sci. 2017 Jun;13(2):113-118. PMID: 28824347; PMCID: PMC5542914.

3. Sheremet'ev IuA, Popovicheva AN, Egorikhina MN, Levin GIa. [Study of the relationship between shape and aggregation change in human erythrocytes]. Biofizika. 2013 Mar-Apr;58(2):264-8. Russian. PMID: 23755552.

4. Матюшичев, В. Б. Электрокинетическая структура эритроцитарных популяций и функциональное состояние организма / В. Б. Матюшичев, В. Г. Шамратова // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 3. Биология. – 2007. – № 4. – С. 119-124.

The most important parameter of erythrocytes, which ensures their unhindered movement along the bloodstream, is the negative charge of the surface. The magnitude of the cell charge is usually judged by their electrokinetic potential (EKP) and the experimentally measured speed of cell movement in an electric field - electrophoretic mobility (EPM) (Elblbesy MA, 2017). A decrease in the surface potential of erythrocytes, reducing the forces of electrostatic repulsion of cells, enhances their aggregation, changes blood viscosity, and initiates the process of thrombus formation (Sheremet'ev IuA, 2013). Therefore, maintaining the optimal value of the charge of erythrocytes both at rest and during functional loads is of paramount importance for maintaining suspension stability and the necessary rheological characteristics of moving blood. Naturally, information about the regularities and mechanisms of ensuring such stability is not only of theoretical, but also of practical interest.

Our studies of the electrophoretic mobility of erythrocytes (EPME) in normal and pathological conditions, physical and emotional stress of the body showed that a differential approach to the study of the erythrocyte population can contribute to the solution of these problems (Matyushichev V.B., 2007). From these positions, peripheral blood erythrocytes were considered not as a homogeneous mass of functionally identical cells, but as a cell population, the composition and dynamics of which reflect the membrane functions and metabolism of individual cells, the influence of plasma factors, the activity of erythrocyte production and destruction organs. With this approach, it was possible to establish that the bioelectrical homeostasis of erythrocytes is achieved mainly due to the redistribution of their individual subpopulations in proportions that can ensure the preservation of the optimal total level of EKP.

The aim of the work was to study the contribution of membrane mechanisms to the regulation of the electrokinetic properties of erythrocyte populations under stress.

Methods. A group of students (n=20) aged 18-19 have been examined being under examination stress and in a state of emotional and physical rest. Electrophoretic mobility of erythrocytes was determined by microelectrophoresis in autoplasma diluted in Ringer's medium. The parameters of the EPME distribution shape were used for a quantitative assessment of the qualitative features of the structure of populations. Histogram parameters were taken into account in addition to average values: asymmetry (As) and excess (Ex) coefficients, which make it possible to identify individual erythrocyte subpopulations in the general population and assess the degree of their heterogeneity. The activity of Na, K-ATPase was assessed by means of adding strophanthin 10-5 М.

Results. The primary processes underlying the change in the balance of erythrocyte subpopulations with different charges can be implemented at different levels, from the membrane to the systemic. Taking into account that, along with the relatively passive (surface charge), active component, which reflects the permeability of membranes and the operation of ion pumps, participates in the formation of the EKP of the cell, it can be assumed that ion transport membrane systems are involved in the dynamics of the redistribution processes of erythrocyte subpopulations along their EKP (Krylov VN, 2014). The Na-pump, K-pump are a universal link that performs metabolic self-regulation of the receptor and electrical properties of membranes. The influence of the Na-pump, K-pump on the electrokinetic properties of erythrocytes is evidenced by the presence of correlations between the EPME value and the Na, K-ATPase activity of erythrocyte membranes. EPME of the students under stress increases significantly due to increase of the proportion of cells with increased EKP. EPME decreases due to the inhibition of the pumps of the subpopulation of cells with increased EKP under the influence of strophanthin. In a state of emotional balance the students have no changes in the average values of EPME and distribution parameters under the influence of strophanthin. The ability of strophanthin to suppress the operation of the pump extends only to homogeneous subpopulations (positive Ex), which are characterized by a higher EKP than the population average (negative As). With emotional and physical stress of the body, the proportion of such subpopulations in the total pool increases, indicating an increase in the functions of the Na-pump, K-pump. As for the predominance of cells with a reduced level of EPM in the population, there is both a lack of response to the action of the inhibitor and a slight increase in EKP, indicating a change in the state of the membrane, in particular, its permeability. Among the factors causing destructive changes in the membranes, obviously, one can include the activation of free radical processes, the negative influence of the plasma environment, the pH of the medium, etc.

Thus, under conditions of relative dynamic equilibrium of the erythrocyte production and destruction processes, the autoregulation mechanisms are involved in the redistribution of the balance of subpopulations, acting mainly at the membrane-cellular level. During emotional, physical stress or pathology, additional regulatory elements of a plasma or systemic nature are actively connected to them, the share of which in the control of EPME and the spectrum of influence on the state of the erythrocyte population under specific conditions can vary within fairly wide limits. Our experiments with the use of the Na-pump, K-pump inhibitor strophanthin (10-5 M) in vitro showed that the effect of strophanthin is determined only in relation to the subpopulation of cells with increased EPME.

References

1. Krylov VN, Deriugina AV, Konstantinova AI. [Electrophoretic mobility and activity Na,K-ATPase of erytheocytes in rats under stress]. Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova. 2014;100(11):1297-302. Russian. PMID: 25665408.

2. Elblbesy MA, Moustafa ME. The Impact of Biophysical Properties of Erythrocytes on their Aggregation. Int J Biomed Sci. 2017;13(2):113-118. PMID: 28824347; PMCID: PMC5542914.

3. Sheremet'ev IuA, Popovicheva AN, Egorikhina MN, Levin GIa. [Study of the relationship between shape and aggregation change in human erythrocytes]. Biofizika. 2013;58(2):264-8. Russian. PMID: 23755552.

4. Matyushichev VB., Shamratova VG. Electrokinetic structure of erythrocyte populations and the functional state of the organism. Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 3. Biologiya. 2007; 4:119-124.