Высокий

Oct 11, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3213 (2023) Цитировать эту статью

1178 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) — это редкие раковые клетки, которые редко распространяются из первичных или метастатических опухолей в кровоток пациента. Определение генетических характеристик этих паранормальных клеток дает важные данные для определения стадии рака и его лечения. Фокусировка клеток с использованием микрофлюидных чипов была реализована как эффективный метод обогащения ЦОК. Отчетливые равновесные положения частиц разного диаметра по ширине микроканала при моделировании показали, что можно изолировать и концентрировать клетки рака молочной железы (BCC) из лейкоцитов при умеренном числе Рейнольдса. Поэтому мы демонстрируем высокопроизводительную изоляцию ОЦК с использованием пассивного, основанного на размере, безметочного микрофлюидного метода, основанного на гидродинамических силах, с помощью нетрадиционного (комбинация длинных петель и разворота) спирального микрофлюидного устройства для изоляции как ЦОК, так и лейкоцитов с высокой эффективностью. и чистотой (более 90%) при скорости потока около 1,7 мл/мин, что имеет высокую пропускную способность по сравнению с аналогичными. При такой скорости потока золота из клеточной суспензии было отделено до 92% ЦОК. Быстрое время обработки, простота и потенциальная способность собирать ЦОК из больших объемов крови пациентов позволяют практическое использование этого метода во многих приложениях.

Рак признан второй по значимости причиной смертности в мире. По оценкам, к 2030 году число смертей, связанных с раком, достигнет 13 миллионов. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает, что по крайней мере 30 процентов этих смертей можно предотвратить, если пациенты будут диагностированы и пролечены до появления метастазов рака. Метастазы рака возникают после того, как циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) распространились в периферический кровоток из участков первичной или вторичной опухоли1. Первичные опухоли вряд ли станут причиной смерти, но метастатические клетки в конечном итоге составляют 90 процентов всех смертей, в то время как 0,01 процента приводят к метастазам, и большинство ЦОК погибают в кровотоке2. Из-за мутации первичные опухоли могут иметь другую геномную информацию по сравнению с метастатическими ЦОК. Онкологи сравнили ЦОК и первичные опухоли и обнаружили, что ЦОК более информативны, чем первичные опухоли. ЦОК были открыты около полувека назад, но их значение в биологии рака стало очевидным лишь недавно. Эта задержка в первую очередь объясняется трудностью выделения ЦОК (которые встречаются с частотой ~ 1–100 на ~ 1000–5000 лейкоцитов в крови пациентов)3,4,5.

Существует большая мотивация для использования метода изоляции, который позволит быстро и эффективно разделить ЦОК6. Общие диагностические стратегии первичных опухолей зависят от анализа клинических симптомов и методов визуализации. Эти методы можно использовать, когда опухоль достигла определенного размера, и их нельзя использовать для обнаружения существования опухоли на ранних стадиях7,8. Поскольку раковые клетки, полученные из первичных солидных опухолей, больше, чем клетки крови, исследователи изменили свои подходы с технологий, основанных на сродстве, на разделение на основе размера. Благодаря этому изменению они могут легче выявлять больных раком на ранних стадиях9. Микрофлюидные методы были отмечены как эффективные и мощные инструменты для высокопроизводительной фокусировки клеток по размеру10,11. Микрофлюидное разделение подразделяется на две категории в зависимости от энергопотребления. Пассивные методы в основном используют гидродинамические силы, тогда как активные методы требуют внешних сил или контроллера для разделения ячеек12. Активные методы обеспечивают более точное разделение, но имеют дорогие и сложные компоненты и меньшую производительность; требуется больше времени, чтобы внешние силы воздействовали на частицы и преодолели гидродинамические силы13,14.

В отличие от традиционных методов микрофлюидики, где инерция незначительна из-за очень низкого числа Рейнольдса (Re ≪ 1), инерционная микрофлюидика находится в диапазоне умеренных чисел Рейнольдса (1 < Re < 100). В этом диапазоне инерция и вязкость жидкости конечны и производят интересные эффекты, включая (i) инерционную миграцию и (ii) вторичное течение15,16. Инерционная микрофлюидика с прямыми, змеевидными и особенно спиральными узорами является одним из наиболее привлекательных методов разделения по размерам. Благодаря своей высокой производительности, простоте и низкой стоимости инерционная микрофлюидика является многообещающим кандидатом в широком спектре биомедицинских приложений17,18. Сео и др. впервые выполнили разделение частиц с помощью спирального микроканала в 2006 году. Затем в 2008 году Папаутский и др. использовали этот метод для отделения частиц размером 1,9 мкм от частиц размером 7,32 мкм19. В 2009 году Дикарло и др. показали, что это разделение происходит из-за баланса между подъемной силой и силами сопротивления в криволинейном спиральном микроканале20. С 2010 года было предпринято множество усилий по повышению эффективности и производительности этих методов с использованием простых и недорогих платформ21,22.