聚合動力學和平衡

體外研究 (in vitro) (穩定氧張力、長時間平衡)
- 證實結晶學 (crystallography)：關鍵胺基酸 (amino acid) 參與原子接觸
- 揭示其他Hb對HbS溶解度的影響 (見 Figure 42.3)
Hb混合：四聚體 (tetramer) → 二聚體 (dimer) 混合 → 隨機重組四聚體
- 闡明細胞內Hb混合物的影響
HbS + HbA混合：總溶解度改善
- 混合型αβS/αβA四聚體進入聚合體的速率 = 1/2 αβS/αβS (見 Figure 42.3A)
HbS + HbF：更大保護效應
- αγ/αγ 和混合型αβS/αγ 四聚體都不能進入聚合體
HbC效應 = HbA；HbA2效應 = HbF
HbAS RBC vs HbSS RBC (見 Figure 42.3B)
- 形成聚合體所需Hb氧飽和度 (oxygen saturation)：HbAS < HbSS

Figure 42.3

脫氧化血紅蛋白S 溶解度，由平衡 (equilibrium) 研究確定。

(A) 100% 脫氧HbS 溶解度 ~16 g/dL（實驗室條件下）
- 其他Hb與HbS混合在無氧條件下 → 提升總溶解度
- X軸：摻合非鐮狀Hb的比例
(B) 聚合體形成所需的血紅蛋白氧飽和度
- HbAS RBC 遠低於 HbSS RBC
- 啟動細胞內聚合體形成（即聚合體分數 (polymer fraction)）

來源：

動力學和聚合

體外聚合動力學 (kinetics) (瞬間完全脫氧化)
- 聚合體爆炸性形成前：存在延遲 (lag phase)
- 延遲時間 ∝ 1/(初始Hb濃度)^n (n很高)
- 例：HbS 40 g/dL延遲 = 10 ms；HbS 20 g/dL延遲 = 100,000秒 (見 Figure 42.4A)
HbS溶液和鐮狀RBC表現相似
細胞間延遲時間變化巨大：受控於MCHC異質性 (heterogeneity)
- 脫水細胞 → 延遲更短
- 非S Hb (HbA、C或F) 存在 → 延遲更長 (見 Figure 42.4E)
Hb混合效應 (見 Figure 42.4E)
- HbA 20-30% + HbS：延遲時間 ↑ 10-100倍 (模擬HbS-β+-地中海貧血 (beta-thalassemia))
- HbF 20-30% + HbS：延遲時間 ↑ 10³-10⁴倍

Figure 42.4

血紅蛋白S 聚合的動力學，在近瞬間完全脫氧化後。

(A) 延遲時間對血紅蛋白濃度的極端依賴性
(B−D) HbS聚合體形成的動力進展曲線
- (B) 長延遲時間：高度可變
  - 涉及單個延長聚合體域
  - 導致鐮狀RBC
- (C和D) 短延遲時間：高度可重現
  - 涉及多個聚合體域
  - 導致冬青葉狀 (holly leaf-shaped) 或顆粒狀 (granular) RBC
(E) 個別RBC的延遲時間受替代Hb影響
(F) 雙核成 (nucleation) 作用過程驅動聚合體形成
- 不利的同質核成 (homogeneous nucleation)（上）
- 後跟爆炸性異質核成 (heterogeneous nucleation)（下）
(G) 病理生理學 (pathophysiology) 意義
- 延遲時間相對於生理脫氧化速率（~1秒）短時 → 病理生理學上不相關

來源：

A–E：經Eaton WA, Hofrichter J. Blood. 1987;70:1245 許可轉載
F：經Ferrone FA, Hofrichter J, Eaton WA. J Mol Biol. 1985;183:611 許可轉載
G：經Ferrone FA在Embury S等人編著的《鐮狀細胞病：基本原理和臨床實踐》紐約Raven出版社1994許可轉載
聚合體形成機制：兩步、雙核成過程 (見 Figure 42.4F)
- 第1步：同質核成 (homogeneous nucleation)
  - 發生於本體溶液中
  - 少數四聚體結合，不利於積累
  - 直到臨界核成 (critical nucleus) 大小形成 (~30-50個四聚體)
- 第2步：異質核成 (heterogeneous nucleation)
  - 導致爆炸性、自催化 (autocatalytic) 聚合體形成
  - 新纖維在預先存在聚合體表面形成並延伸
實驗室「延遲時間」：直到爆炸性形成發生的時間點
聚合緩慢細胞：長延遲時間
- 原因：單個(或極少數)同質核成事件隨機形成
- 特徵：不可重現性高
- 形態：鐮狀 (sickled) (高度延長聚合體變形膜) (見 Figure 42.4B)
聚合迅速細胞：短延遲時間
- 原因：多個核成位點同時形成
- 特徵：高度可重現
- 形態：不規則(冬青葉 (holly leaf) 或顆粒狀 (granular)) (多個短聚合體域變形膜) (見 Figure 42.4C和D)

生理條件 vs 實驗室條件
- RBC：非恆定氧張力平衡，非瞬間脫氧化
- 脫氧HbS聚合體生長速率：受限於RBC微血管脫氧化發展速率
- 微血管通過時間：~1秒 → 延遲時間 > ~1秒變得不相關 (見 Figure 42.4G)
臨床推論：大多數HbSS患者RBC在微循環 (microcirculation) 通過中不太可能鐮狀化
- 除非：RBC-內皮 (endothelial) 粘著 (adhesion) 等因素減緩通過
可預測性複雜化因素
- 鐮狀RBC中MCHC和HbF含量異質性
- 毛細 (capillary) 血管通過時間生物學可變性
溶液 vs RBC內聚合：定性對應良好
- 基本聚合機制未被RBC膜改變
- 異常鐮狀RBC膜：加速核成 (nucleation)，消除固有延遲時間
- 預先存在聚合體 (未完全融化)：類似效應 (<1% RBC)
生理限制不變：聚合體生長速率 = RBC脫氧化速率
體外RBC形態取決於脫氧化速率
- 慢速脫氧化 → 典型鐮狀 (sickled) (單一核成域) (見 Figure 42.4B)
- 中速脫氧化 → 冬青葉狀 (holly leaf-shaped) (多個核成域) (見 Figure 42.4C)
- 快速脫氧化 → 顆粒狀 (granular) (多個核成域) (見 Figure 42.4D)
微循環：顆粒狀形態最可能；靜脈 (vein)：鐮狀形態更可能
RBC形態本身非決定因素，但聚合體引起的僵硬化 (rigidity) 是
- 因此影響微血管通過性 (microvascular passage)