[論文レビュー] Deformation and dynamics of erythrocytes govern their traversal through microfluidic devices with a deterministic lateral displacement architecture

Wei Chien, Zunmin Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2019

Blood properties and coagulation被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、円形のポストを有する決定的側方移動（DLD）マイクロフルイディクスデバイスにおける赤血球（RBC）の分離を支配する、赤血球の変形および動的挙動を解明するために、ミクロスコピック流体力学シミュレーションを用いた。著者らは、ジグザグ運動、転がり運動、三つ葉状運動などの明確なRBCの運動モードを特定し、せん断弾性に基づく分離が可能であるが、細胞の機械的性質に適合させるために流れ条件を正確に調整する必要があることを示した。

ABSTRACT

Deterministic lateral displacement (DLD) microfluidic devices promise versatile and precise processing of biological samples. However, this prospect has been realized so far only for rigid spherical particles and remains limited for biological cells due to the complexity of cell dynamics and deformation in microfluidic flow. We employ mesoscopic hydrodynamics simulations of red blood cells (RBC) in DLD devices with circular posts to better understand the interplay between cell behavior in complex microfluidic flow and sorting capabilities of such devices. We construct a mode diagram of RBC behavior (e.g. displacement, zig-zagging, and intermediate modes) and identify several regimes of RBC dynamics (e.g. tumbling, tank-treading, and trilobe motion). Furthermore, we link the complex interaction dynamics of RBCs with the post to their effective cell size and discuss relevant physical mechanisms governing the dynamic cell states. In conclusion, sorting of RBCs in DLD devices based on their shear elasticity is in general possible, but requires fine-tuning of flow conditions to targeted mechanical properties of the RBCs.

研究の動機と目的

• 赤血球の変形と動的挙動が、決定的側方移動（DLD）マイクロフルイディクスデバイス内でする複雑な相互作用を理解すること。
• さまざまな流れ条件下でのRBCの明確な動的モード（例：ジグザグ運動、転がり運動、タンク・トレーニング、三つ葉状運動）を特定すること。
• マイクロフルイディクスのポストとのRBCの相互作用が、有効な細胞サイズおよび動的状態を支配する物理的メカニズムにどのように関連するかを明らかにすること。
• 特にせん断弾性を基準として、RBCをDLDデバイスで分離することが可能かどうかを評価すること。
• 生物学的細胞を機械的表現型に基づいて分離するためのDLDデバイス最適化の設計指針を提供すること。

提案手法

• DLDデバイスに設けられた円形ポストを有する赤血球（RBC）の動的挙動をモデル化するために、メソスコピック流体力学シミュレーション（格子ボルツマン法）を用いた。
• 流体の流れを記述するナビエ＝ストークス方程式を有限差分法で解き、それを浸漬境界法を介してRBC膜の力学と結合した。
• RBCを二杯のくぼみを持つ、せん断弾性を有する粘弾性膜と細胞質の粘性を有する細胞としてモデル化し、流体力学的力の下での変形を再現した。
• 流れ速度とポストの幾何形状を変化させ、RBCの運動の異なるダイナミックな領域への遷移をマッピングした。
• 流れ条件に応じたRBC挙動のモード図を作成し、移動、ジグザグ運動、および中間モードを特定した。
• 有効な細胞サイズおよび分離挙動に影響を与える物理的メカニズム（例：膜のせん断弾性、細胞質の粘性）を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤血球の変形および動的モード（例：転がり運動、タンク・トレーニング、三つ葉状運動）は、DLDマイクロフルイディクスデバイス内を通過する際の挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 DLDデバイスにおけるRBCの明確な動的領域は何か？ また、それらは流れ速度およびポストの幾何形状にどのように依存するか？
• RQ3 変形によって影響を受けるRBCの有効な細胞サイズは、DLDデバイス内での分離挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 複雑なマイクロフルイディクス流れ内における、RBCの異なる動的状態の間を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 RBCをDLDデバイスでせん断弾性に基づいて分離することはどの程度可能であり、どのような流れ条件が必要か？

主な発見

• さまざまな流れ条件下で、明確な動的領域（移動、ジグザグ運動、中間モード）を特定する包括的なモード図が構築された。
• RBCは、膜のせん断弾性および流れの強さに強く依存する、複雑な動的状態（例：転がり運動、タンク・トレーニング、三つ葉状運動）を示した。
• RBCの有効な細胞サイズは変形に伴い増大し、特に高せん断領域では、DLDデバイス内での分離挙動が変化した。
• DLDデバイス内でのRBCのせん断弾性に基づく分離は可能であるが、目的の機械的性質に適合させるために流れ条件を正確に調整する必要がある。
• RBCとポストの相互作用ダイナミクスは、流体力学的力、膜の弾性、細胞質の粘性のバランスによって支配され、これが分離効率を決定づける。
• 本研究では、RBC集団内の機械的非均一性を活用して、サイズおよび弾性に基づく分離がDLDプラットフォームで実現可能であることが明らかになった。