Possibilities of the method of dielectrophoresis of erythrocytes in distinction of patients with fatty liver disease of alcoholic and non-alcoholic genesis

The aim of the work is to study the possibilities of distinguishing between men with fatty disease of alcoholic  and non-alcoholic origin using the viscoelastic parameters of erythrocytes - deformation amplitude,  summerized indicators of viscosity and rigidity (baseline and after exposure to ethanol in vitro) obtained using the method of erythrocyte dielectrophoresis; to determine associations of the amplitude of deformation, summerized viscosity and rigidity of erythrocytes with blood lipid levels. The study involved 54 men (44,62±1.52 years) with fatty liver disease according to ultrasound of the abdominal organs, the severity of fibrosis corresponded to 0-1 (FibroScan® 502 Echosens, France). All patients underwent a study of the viscoelastic parameters of erythrocytes - the amplitude of deformation, summerized indicators of viscosity  and rigidity by the dielectrophoresis method: the baseline level of indicators was determined, as well as their  values after exposure of red blood cells with 10 μl of 0,0 2% ethanol solution in vitro for 300 s. The dynamics of changes in the viscoelastic parameters of erythrocytes during the experiment with alcohol in patients with fatty liver disease of unknown origin made it possible to highlight two groups with diametrically opposite trends in erythrocyte indices. The group with a decrease in the amplitude of erythrocyte deformation against the background of an increase in summerized viscosity and rigidity (n = 26) consisted mainly of patients with metabolic syndrome who do not drink or occasionally consume alcohol in low doses (less than 20 g in terms of pure ethanol). Group with increased erythrocyte deformability and decrease in summerized viscosity and  rigidity (n = 28) includes systematic alcohol consumers who were in a state of abstinence. Ethanol exposure,  important energy substrate of this group, built into metabolic processes, led to an increase in the amplitude of  cell deformation. Correlations of the viscoelastic parameters of erythrocytes with the style of alcohol  consumption, components of the metabolic syndrome, lipid profile indicators, and liver tests were established.  Direct associations of the amplitude of erythrocyte deformation with the level of HDL cholesterol and inverse - with the values of total cholesterol, LDL cholesterol, triglycerides were identified. Summarized viscosity and rigidity correlated with the levels of these lipid indicators inversely compared with the amplitude  of deformation. The diagnostic accuracy of distinguishing between NAFLD and AFLD using models, including  the viscoelastic parameters of erythrocytes and their changes after exposure to ethanol, using Random
Forest and SVM methods reached 99 %, sensitivity of 98 % and specificity of 99 %.

fatty liver disease, etiology, differential diagnosis, erythrocytes, dielectrophoresis, ethanol, acute exposure

1. Ивашкин В.Т., Драпкина О.М., Маев И.В., Трухманов А.С., Блинов Д.В., Пальгова Л.К., Цуканов В.В., Ушакова Т.И. Распространенность неалкогольной жировой болезни печени у пациентов амбулаторно-поликлинической практики в Российской Федерации: результаты исследования DIREG 2. Рос. журн. гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии, 2015; (6): 31–41.

2. Ivashkin V.T., Drapkina O.M., Maev I.V., Troukhmanov, A.S., Zimovina U.V., Palgova L.K., Blinov D.V., Shirokova E.N., Tsukanov V.V. Non-alcoholic fatty liver disease risk factors assessment among the general practitioners and gastroenterologist’s patients flow. United Eur. Gastroenterol. J., 2015; 3(1): 344–345.

3. McCullough A.J. Epidemiology of the metabolic syndrome in the USA. J. Dig. Dis., 2011; 12 (5): 333–340.

4. Вельков В.В. Неинвазивные биомаркеры фиброза. До свиданья, биопсия? Клинико-лабораторный консилиум, 2009; (5): 34–44.

5. Balmer M.L., Dufour J.F. Non-alcoholic steatohepatitis – from NAFLD to MAFLD. Ther. Umsch., 2011; 68 (4): 183–188.

6. Zhou Y.J., Li Y.Y., Nie Y.Q., Huang Ch.M., Cao Ch.Y. Natural course of nonalcoholic fatty liver disease in southern China: a prospective cohort study. J. Dig. Dis., 2012; 13 (3): 153–160. doi: 10.1111/j.1751-2980.2011.00571.x

7. Weinstein G., Zelber-Sagi S., Preis S.R., Beiser A.S., DeCarli Ch., Speliotes E.K.,. Satizabal C.L., Vasan R.S., Seshadri S. Association of nonalcoholic fatty liver disease with lower brain volume in healthy middle-aged adults in the Framingham Study. JAMA Neurol., 2017; 75 (1): 97–104. doi: 10.1001/jamaneurol.2017.3229

8. Niederseer D., Wernly S., Bachmayer S., Wernly B., Bakula A., Huber-Schönauer U., Semmler G., Schmied C., Aigner E., Datz C. Diagnosis of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is independently associated with cardiovascular risk in a large austrian

9. screening cohort. J. Clin. Med., 2020; 9: 1065–1067. doi: 10.3390/jcm9041065

10. Jia Y., Ji P., Nguyen L., French B., Tillman B., French S. Different roles of epigenetic regulators and inflammasome in hepatocellular carcinoma tumorigenesis in patients with ASH vs. NASH. Exp. Biol., 2019; A67: 662–667.

11. Hajifathalian K., TorabiSagvand B., McCullough A.J. Effect of alcohol consumption on survival in nonalcoholic fatty liver disease: A national prospective cohort study. Hepatology, 2018; 70 (2): 511–521. doi: 10.1002/hep.30226

12. EASL–EASD–EASO Clinical Practice Guidelines for the management of non-alcoholic fatty liver disease. Clinical Practice Guidelines. J. Hepatology, 2016; 64 (6): 1388–1402. doi: 10.1016/j.jhep.2015.11.004

13. Ивашкин В.Т., Маевская М.В., Павлов Ч.С., Тихонов И.Н., Широкова Е.Н., Буеверов А.О., Драпкина О.М., Шульпекова Ю.О., Цуканов В.В., Маммаев С.Н., Маев И.В., Пальгова Л.К. Клинические рекомендации по диагностике и лечению неалкогольной жировой болезни печени Российского общества по изучению печени и Российской гастроэнтерологической ассоциации. Рос. журн. гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии, 2016; 26 (2): 24–42. doi: 10.22416/1382-4376-2016-26-2-24-42

14. Liao Y.Y., Yang K.C., Lee M.J., Huang K.C., Chen J.D., Yeh C.K. Multifeature analysis of an ultrasound quantitative diagnostic index for classifying nonalcoholic fatty liver disease. Sci. Rep., 2016; 6: 35083. doi: 10.1038/srep35083

15. Подымова С. Д. Болезни печени: Руководство для врачей. 5-е изд., перераб. и доп. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2018. 984 с.

16. Терновой С.К., Ширяев Г.А., Устюжанин Д.В., Абдурахманов Д.Т. Определение содержания жира в печени у пациентов с жировым гепатозом и стеатогепатитом методом протонной МРспектроскопии. Мед. визуализация, 2018; (4): 50–58. doi: 10.24835/1607-0763-2018-4-50-58

17. Ивашкин В.Т. Фиброз печени. Ред. В.Т. Ивашкин, Ч.С. Павлов. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. 168 с.

18. Ивашкин В.Т., Шульпекова Ю.О. Неалкогольный стеатогепатит. Болезни органов пищеварения, 2000; (2): 41–46.

19. Шерлок Ш., Дули Дж. Заболевания печени и желчных путей: практическое рук. Пер. с англ. Ред. З.Т. Апросина, Н.А. Мухин. М.: ГЭОТАРМедиа, 2002. 859 с.

20. Lee S.Y., Park H.J., Best-Popescu C., Jang S., Park Y.K. The effects of ethanol on the morphological and biochemical properties of individual human red blood cells. PLoS One, 2015; 10 (12): e0145327.

21. Savage D.G., Ogundipe A., Allen R.H., Stabler S.P., Lindenbaum J. Etiology and diagnostic evaluation of macrocytosis. Am. J. Med. Sci., 2000; 319 (6): 343–352.

22. Wakabayashi I. Relationships of habitual alcohol intake with erythrocyte-related indices in middle-aged Japanese men. Acta Haematol., 2019; 142: 154–161. doi: 10.1159/000499102

23. Lichtin A.E. What evaluation should be done for an apparently healthy patient with an increased mean corpuscular volume (MCV)? Cleve. Clin. J. Med., 2001; 68 (5): 381–386. doi: 10.3949/ccjm.68.5.381

24. Кручинина М.В., Паруликова М.В., Курилович С.А., Громов А.А., Генералов В.М. Изменение параметров эритроцитов у пациентов с жировой болезнью печени алкогольного и неалкогольного генеза в динамике абстинентного синдрома и снижения массы тела. Эксперим. и клин. гастроэнтерология, 2017; (9): 106–115.

25. Кручинина М.В., Паруликова М.В., Громов А.А., Генералов В.М., Генералов К.В., Кручинин В.Н., Рыхлицкий С.В., Кручинина Э.В., Шувалов Г.В. Острое воздействие этанола на эритроциты in vitro: новый подход к дифференциальной диагностике жировой болезни печени. Эксперим. и клин. гастроэнтерология, 2019; (12): 122–134. doi: 10.31146/1682-8658-ecg-172-12-122-134

26. Пат. ¹ 2697202 РФ. Способ дифференциальной диагностики жировой болезни печени алкогольного и неалкогольного генеза. Кручинина М.В., Генералов В.М., Паруликова М.В., Курилович С.А., Громов А.А., Генералов К.В., Сафатов А.С., Буряк Г.А., Шувалов Г.В. Бюл. 2019, ¹ 23.

27. Dietrich C.F., Bamber J., Berzigotti A., Bota S., Cantisani V., Castera L., Cosgrove D., Ferraioli G., Friedrich-Rust M., Gilja O.H., Goertz R.S., Karlas T., de Knegt R., de Ledinghen V., Piscaglia F., Procopet B., Saftoiu A., Sidhu P.S., Sporea I., Thiele M. EFSUMB guidelines and recommendations on the clinical use of liver ultrasound elastography, Update 2017 (Long Version). Ultraschall Med., 2017. 38 (4): e16–e47. doi: 10.1055/s-0043-103952

28. Генералов В.М., Кручинина М.В., Дурыманов А.Г., Медведев А.А., Сафатов А.С., Сергеев А.Н., Буряк Г.А., Курилович С.А., Громов А.А. Диэлектрофорез в диагностике инфекционных и неинфекционных заболеваний. Новосибирск: ЦЭРИС, 2011. 172 с.

29. Махов В.М. Алкогольная болезнь печени и неалкогольная жировая болезнь печени – общность и различия. Лечащий врач, 2012; (7): 22–28.

30. Хомерики С.Г., Хомерики Н.М. Алкогольная болезнь печени: механизмы развития, морфологические проявления, дифференциальная диагностика и патогенетические подходы к терапии. Consilium medicum, 2012; (1): 27–34.

31. Ивашкин В.Т., Маевская М.В., Павлов Ч.С., Сиволап Ю.П., Луньков В.Д., Жаркова М.С., Масленников Р.В. Клинические рекомендации Российского общества по изучению печени по ведению взрослых пациентов с алкогольной болезнью печени. Рос. журн. гастроэнтерологии, гепатологии и колопроктологии. 2017; 27 (6): 20–40.

32. Khang A.R., Lee H.W., Yi D.W., Kang Y.H., Son SM. The fatty liver index, a simple and useful predictor of metabolic syndrome: analysis of the Korea National Health and Nutrition Examination Survey 2010–2011. Diabetes Metab. Syndr. Obes., 2019; 12: 181–190. doi: 10.2147/DMSO.S189544

33. Сторожок С.А., Панченко Л.Ф., Филиппович Ю.Д., Глушков В.С. Изменения физико-химических свойств биологических мембран при развитии толерантности к этанолу. Вопр. мед. химии, 2001; (2): 42–51.

34. Maturu P., Reddy V.D., Padmavathi P., Varadacharyulu N. Ethanol induced adaptive changes in blood for the pathological and toxicological effects of chronic ethanol consumption in humans. Exp. Toxicol. Pathol., 2012; 64: 697–703.

35. Tóth M. E., Vigh L., Sántha M. Alcohol stress, membranes and chaperones. Cell Stress Chaperones, 2014; 19: 299–309.

36. Maturu P., Vaddi D.R., Pannuru P., Nallanchakravarthula V. Modifications of erythrocyte membrane proteins, enzymes and transport mechanisms in chronic alcoholics: an in vivo and in vitro study. Alcohol Alcohol., 2013; 48: 679–686.

37. Tyulina O.V., Prokopieva V.D., Boldyrev A.A., Johnson P. Erythrocyte and plasma protein modification in alcoholism: A possible role of acetaldehyde. Biochim. Biophys. Acta, 2006; 1762 (5): 558–563.

38. Chu H., Breite A., Ciraolo P., Franco R.S., Low P.S. Characterization of the deoxyhemoglobin binding site on human erythrocyte band 3: implications for O2 regulation of erythrocyte properties. Blood, 2008; 111 (2): 932–938. doi: 10.1182/blood-2007-07-100180

39. Ярыгина Е.Г., Прокопьева В.Д. Изменение стабильности эритроцитов в присутствии различных концентраций этанола и ацетальдегида. Сиб. вестн. психиатрии и наркологии, 2005; (4): 14–16.

40. Osna N.A., Donohue T.M., Kharbanda K.K. Alcoholic liver disease: pathogenesis and current management. Alcohol Res., 2017; 38 (2): 7–21.

41. Fernando H., Bhopale K.K., Kondraganti S.S., Kaphalia B., Ansari G. Alcohol-induced hepatic steatosis: A comparative study to identify possible indicator(s) of alcoholic fatty liver disease. J. Drug Alcohol. Res., 2018; 7: 236040. doi: 0.4303/jdar/236040

42. Haffner S.M., Gingerick R., Stern M.P., Bowsher R.R., Miettinen H. Principal proinsulin and specific insulin are associated with the source of diabetes among the Mexicans, not diabetes. J. Diabetes, 1995; 44 (10): 1156–1160.

43. Шилов А.М., Авшалумов А.Ш., Синицина Е.Н., Марковский В.Б., Полещук О.И. Изменения реологических свойств крови у больных с метабо-лическим синдромом. Рус. мед. журн., 2008; (4): 200–204.

44. Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А. Физиология и патофизиология эритроцита. Томск: Из-во Том. ун-та, 2004. 202 с.

45. Леонова Т.Я. К вопросу об эритроцитарном механизме регулирования холестеринемии при экспериментальной гиперхолестеринемии и ишемической болезни сердца. Автореф. дис. ... канд. мед. наук. Новосибирск, 1982. 22 с.

46. Шиффман Ф. Дж. Патофизиология крови. Пер с англ. Е.Б. Жибурта, Ю.Н. Токарева М.; СПб.: Издательство БИНОМ: Невский диалог, 2000. 448 с.

47. Kruchinina M.V., Kurilovich S.А., Gromov А.А., Generalov V.М., Kruchinin V.N. Peculiarities of erythrocytic parameters in patients with nonalcoholic steatohepatitis. J. Analyt. Sci., Methods and Instrumentation. 2016; 6 (1): 6–14. doi: 10.4236/jasmi.2016.61002

48. Кручинина М.В., Паруликова М.В., Курилович С.А., Громов А.А., Генералов В.М., Рихтер В.А., Семенов Д.В., Морозов С.В., Соколова А.С., Салахутдинов Н.Ф., Шашков М.В., Сидельников В.Н., Кручинин В.Н. Ассоциации функциональных параметров эритроцитов со структурой их мембран у мужчин г. Новосибирска с атерогенными дислипидемиями и алкогольным поражением печени. Атеросклероз, 2017; 13 (3): 5–13.

49. Kruchinina M., Voevoda M., Peltek S., Kurilovich S., Gromov A., Kruchinin V., Rykhlitsky S., Volodin V., Generalov V. Application of optical methods in blood studies upon evaluation of severity rate of diffuse liver pathology. J. Anal. Sci., Methods and Instrumentation, 2013; 3 (2): 115-123. doi: 10.4236/jasmi.2013.32014

50. Kruchinina M., Voevoda M., Peltek S., Kurilovich S., Gromov A., Kruchinin V., Rykhlitsky S., Volodin V., Generalov V., Shuvalov G. Comment on optical methods in blood studies upon evaluation of severity rate of diffuse liver pathology. Int. J. New Technol. Res., 2016; 2 (4): 7–12.

51. Зинчук В.В. Деформируемость эритроцитов: физиологические аспекты. Успехи физиол. наук, 2001; 32 (3): 66–78.