マイクロ流体サンドイッチ構造を用いた粘弾性胸水からの剥離腫瘍細胞の分離

Separation of exfoliated tumor cells from viscoelastic pleural effusion using a microfluidic sandwich structure.

• Xin Shi
• Wei Tan
• Liyan Liu
• Wenfeng Cao
• Yang Wang
• Guorui Zhu

抄録

サンドイッチ構造を有するマイクロ流体デバイスは、胸水からの腫瘍細胞のラベルフリーとサイズ選択的な分離を達成するために提案されています。サンドイッチ構造は、初期サンプル層、分離層、ターゲットサンプル層を組み込んだコフローシステムである。分離層は、初期サンプル層と分離層との間にサイズ選択的な界面を提供するために使用される。界面における慣性リフト力と界面弾性リフト力の相対的な大きさは、剥離した腫瘍細胞がサンプル層の外に移動することを可能にするだけである。分離層の高い界面弾性リフト力はまた、通常は広い範囲で特性が変化する胸水サンプルにデバイスを使用することを可能にする。ターゲットサンプル層は、収縮-拡張アレイ（ＣＥＡ）チャネル内の剥離腫瘍細胞の大きな移動距離と高い分離効率のために使用される。また、細胞洗浄もターゲットサンプル層で達成されており、我々のデバイスの統合性を実証しています。実験的には、サンドイッチ構造の安定性を確保するために、1:1:1:6の最適な流量比が得られ、回収された流体はすべてターゲットサンプル層からのものであった。次に、粒子試験により、分離層の臨界ポリエチレンオキシド（PEO）濃度（500ppm、η=1.37mPa・s）を求めた。この濃度では、異なる粘弾性試料（ＰＥＯ濃度が０から４００ｐｐｍまで変化）から２０μｍの粒子を効率よく分離することができた。細胞試験では、異なる胸水サンプルからの剥離腫瘍細胞を分離し、洗浄することに成功した。その結果、剥離腫瘍細胞の分離効率は約100％、血球の分離効率は90％以上であった。本装置は、従来の2流体コフローシステムと比較して、1)様々な粘弾性を有する胸水試料への適用が可能であること、2)集束性能に優れていること、などの大きな利点を有している。医学研究やがんの臨床診断への応用が期待されます。

A microfluidic device with a sandwich structure is proposed to achieve label-free and size-selective separation of tumor cells from pleural effusion. The sandwich structure is a co-flow system incorporating an initial sample layer, an isolation layer and the target sample layer. The isolation layer is used to provide a size-selective interface between the initial sample layer and the isolation layer. The relative magnitude of the inertial lift force and the interfacial lift force at the interface only allows exfoliated tumor cells to migrate out of the sample layer. The high interfacial elastic lift force of the isolation layer also enables the device to be used for pleural effusion samples, whose properties usually vary across a wide range. The target sample layer is used for large migration distances of exfoliated tumor cells in the contraction-expansion array (CEA) channel and high separation efficiency. Cell washing is also achieved with the target sample layer, demonstrating the integration of our device. Experimentally, an optimal flow rate ratio of 1:1:6 was obtained to ensure the stability of the sandwich structure, and the collected fluid was all from the target sample layer. A critical polyethylene oxide (PEO) concentration of the isolation layer (500 ppm, η = 1.37 mPa·s) was then obtained by particle tests. Twenty-micrometer particles were efficiently separated from different viscoelastic samples (PEO concentration changes from 0 to 400 ppm) at this concentration. For the cell test, exfoliated tumor cells from different pleural effusion samples were successfully separated and washed. The separation efficiency of exfoliated tumor cells and blood cells was about 100% and over 90%, respectively. Compared with a conventional co-flow system of two fluids, this device has great advantages in 1) wide applicability for pleural effusion samples of various viscoelasticity and 2) focusing performance. It shows potential for use in medical research and clinical diagnosis of cancer.