双曲型マイクロチャンネル内での白血病細胞株の変形：せん断成分と伸長成分の役割の検討

Deformation of leukaemia cell lines in hyperbolic microchannels: investigating the role of shear and extensional components.

• Monica Piergiovanni
• Valeria Galli
• Gregor Holzner
• Stavros Stavrakis
• Andrew DeMello
• Gabriele Dubini

抄録

細胞の機械的特性は、臨床に関連する生理学的・病理学的状況の多様な範囲で非常に大きな関心を集めています。当然のことながら、様々なマイクロ流体プラットフォームは、細胞の変形性を研究するために近年開発されており、最も一般的には純粋なせん断または伸長流を採用しており、チャネルの壁と細胞の直接の接触の有無にかかわらず。ここでは、3つのマイクロチャンネル形状を用いて、流体誘起細胞の変形に対するせん断流と伸長流の成分の影響を調べた。双曲型マイクロチャネルの場合、細胞の変形は、非ゼロのせん断条件の下で、一定の伸長速度を持つ流れの中で起こる。マイクロチャンネルの末端での急激な膨張は、変形後の形状回復を評価することを可能にする。純粋なせん断流(ストレート流)や純粋な伸長流(クロス流)を誘発する他のマイクロチャンネル形状と比較することで、異なる変形モードを明らかにした。このような解析は、細胞の変形性に及ぼすチトカラシンDやホルマリンなどの一般的な処理の軟化・硬化効果を確認するために用いられます。白血病細胞の変形性の実験的解析に加えて、計算流体力学シミュレーションを用いて、細胞の変形ダイナミクスにおける前述の流動成分の役割を解明した。一般的には、本研究は、様々な流体力学的条件に曝されたときの白血病細胞株の変形/回復ダイナミクスを抽出するための指針として利用することができる。

The mechanical properties of cells are of enormous interest in a diverse range of physio and pathological situations of clinical relevance. Unsurprisingly, a variety of microfluidic platforms have been developed in recent years to study the deformability of cells, most commonly employing pure shear or extensional flows, with and without direct contact of the cells with channel walls. Herein, we investigate the effects of shear and extensional flow components on fluid-induced cell deformation by means of three microchannel geometries. In the case of hyperbolic microchannels, cell deformation takes place in a flow with constant extensional rate, under non-zero shear conditions. A sudden expansion at the microchannel terminus allows one to evaluate shape recovery subsequent to deformation. Comparison with other microchannel shapes, that induce either pure shear (straight channel) or pure extensional (cross channel) flows, reveals different deformation modes. Such an analysis is used to confirm the softening and stiffening effects of common treatments, such as cytochalasin D and formalin on cell deformability. In addition to an experimental analysis of leukaemia cell deformability, computational fluid dynamic simulations are used to deconvolve the role of the aforementioned flow components in the cell deformation dynamics. In general terms, the current study can be used as a guide for extracting deformation/recovery dynamics of leukaemia cell lines when exposed to various fluid dynamic conditions.