Разработка нового интегрированного микрофлюидного чипа для непрерывного отделения циркулирующих опухолевых клеток от клеток периферической крови

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 17016 (2022) Цитировать эту статью

2433 Доступа

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Рак является одной из основных причин смертности во всем мире. Поздняя стадия заболевания, недоступность диагностики и лечения являются распространенными проблемами в развитых странах. Сообщается, что обнаружение и подсчет циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) на как можно более раннем этапе может привести к более эффективному лечению. Выделение ЦОК на ранней стадии затруднено из-за низкой вероятности его присутствия в периферической крови. В этом исследовании мы предлагаем новое двухэтапное, безметочное, быстрое и непрерывное устройство для разделения ЦТС, основанное на гидродинамической инерционной фокусировке и диэлектрофоретическом разделении. Доминирование и разница инерционной подъемной силы, индуцированной стенкой, и силы сопротивления Дина внутри изогнутого микрожидкостного канала приводит к отделению эритроцитов (RBC) и тромбоцитов (размером от 2 до 4 мкм) по размеру от CTC и лейкоцитов (9–4 мкм). 12,2 мкм). С помощью численной модели исследован механизм гидродинамической инерционной фокусировки в криволинейном микроканале. Моделирование было проведено с использованием эритроцитов, тромбоцитов, ЦОК и лейкоцитов (четырех основных подтипов) для выбора оптимизированного значения параметров в предлагаемой конструкции. На первом этапе изучалось фокусирующее поведение микроклеток для отделения лейкоцитов и ЦОК от эритроцитов и тромбоцитов, в то время как на втором этапе жизнеспособные ЦОК отделялись от лейкоцитов на основе присущих им электрических свойств с использованием диэлектрофореза. Предложенная конструкция устройства была оценена на эффективность отделения CTC с помощью численного моделирования. В этом исследовании рассматривалось влияние таких критических факторов, как соотношение сторон, диэлектрофоретическая сила, размер канала, скорость потока, эффективность разделения и форма, на разделение клеток. Результаты показывают, что предлагаемое устройство дает жизнеспособные ЦОК с эффективностью выделения 99,5% и пропускной способностью 12,2 мл/ч.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Глобальной онкологической обсерватории, к 2040 году число новых случаев рака в год вырастет до 29,5 миллионов, а число смертей от рака — до 16,4 миллионов1,2. В большинстве случаев рак не диагностируется и не лечится до тех пор, пока опухолевые клетки не метастазируют по всему организму3. Впоследствии у пациента вскоре возникает рецидив с очень низкой выживаемостью. Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) — это клетки, которые выделяются из первичных опухолей, рецидивов или метастазов и циркулируют в периферической крови и обладают антигенными и генетическими опухолеспецифичными характеристиками4. ЦОК могут вызывать вторичный рост опухолей в других частях тела, называемый метастазами4. ЦОК имеют различные морфологические и молекулярные характеристики; они начинают появляться в цельной крови на очень ранней стадии развития опухоли5. Было обнаружено, что диагностика заболеваний, мониторинг и персонализированная терапия рака могут осуществляться путем ведения учета ЦОК6. Учитывая этот факт, важно выявлять и оценивать редкие ЦОК (неинвазивный маркер) для диагностики заболевания на достаточно ранней стадии и для эффективного лечения7. Подсчет ЦОК в цельной крови очень затруднителен из-за их нехватки у пациентов на ранних стадиях рака, т.е. 1–10 клеток/мл8 по сравнению с другими клетками 5 × 109/мл эритроцитов, 2 × 108/мл тромбоцитов и 1 × 106 лейкоцитов9. Жизнеспособные ЦОК необходимы для дальнейшего анализа генотипов и фенотипов с целью определения прогрессирования рака. Гетерогенная морфология раковых клеток делает их выделение технически сложным10. Для характеристики и выделения жизнеспособных ЦОК необходимо устройство сортировки клеток с высокой чувствительностью. Обнаружение ЦОК в цельной крови, часто называемое «жидкой биопсией», привлекло внимание научного и клинического сообщества11, поскольку этот метод имеет потенциал для диагностики, прогнозирования и оценки эффективности лечения12. На сегодняшний день разработано несколько методов обнаружения и выделения ЦОК13,14,15,16,17,18,19,20. В методах выделения используются биофизические свойства ЦОК, которые отличают их от цельной крови. Микрофлюидные сортировщики клеток чаще всего используются в диагностических целях. Микрофлюидная технология используется для исследования процессов транспортировки жидкости в микроканалах. Его преимущества включают небольшой размер выборки, короткое время реакции и низкую стоимость. Устройства «лаборатория-на-чипе» (LOC) со встроенными функциями, основанные на той же технологии, были разработаны для проведения биологического анализа21,22,23. Микрофлюидные сортировщики клеток подразделяются на активные и пассивные. Активные методы используют внешнюю стимуляцию, такую ​​как электрическая, магнитная, оптическая, акустическая, биохимическая и т. д.22. В пассивных методах не применяется никакая внешняя сила, скорее, они используют внутренние свойства, такие как размер, форма, архитектура канала и гидродинамические силы23. Некоторые методы требуют маркировки ЦОК перед разделением24,25. Образцы маркируются с использованием определенных маркеров клеточной поверхности, например, флуоресцентной маркировки, предварительного окрашивания, прикрепления и т. д., чтобы обеспечить подсчет и визуализацию после разделения. Основное внимание исследователей уделялось разработке методов подсчета и обнаружения CTC, включая систему CellSearch. Основные усилия были предприняты с использованием методов иммуномечения, специфичных для эпителиальных клеток, например, EpCAM или различных цитокератинов. Однако у них есть риск потери ЦОК, которые не экспрессируют EpCAM или подверглись эпителиально-мезенхимальному переходу (ЕМТ)4,26,27.