[논문 리뷰] A tunable cancer cell filter using magnetic beads: cellular and fluid dynamic simulations

Markus Gusenbauer, Ivan Cimrák외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 05.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장에 의해 동적으로 조절 가능한 기하구조를 가진 자기비드 체인을 사용하여 순환하는 종양세포(CRC)를 분리하기 위한 조절 가능한 랩온칩 필터를 제안한다. 유체역학, 수침 경계 혈액세포 모델링, 마이크로자기입자 시뮬레이션을 조합한 연구는 CTC가 12 μm의 간극에서 효율적으로 포집될 수 있음을 입증하며, 적혈구는 2 μm까지의 간극을 통과할 수 있어 기하구조를 조절할 수 있는 필터를 통해 선택적 CTC 농축이 가능하다.

ABSTRACT

In the field of biomedicine magnetic beads are used for drug delivery and to treat hyperthermia. Here we propose to use self-organized bead structures to isolate circulating tumor cells using lab-on-chip technologies. Typically blood flows past microposts functionalized with antibodies for circulating tumor cells. Creating these microposts with interacting magnetic beads makes it possible to tune the geometry in size, position and shape. We develop a simulation tool that combines micromagnetics, discrete particle dynamics and fluid dynamics, in order to design micropost arrays made of interacting beads. For the simulation of blood flow we use the Lattice-Boltzmann method with immersed elastic blood cell models. Parallelization distributes large fluid and particle dynamic simulations over available resources to reduce overall calculation time.

연구 동기 및 목표

• 전체 혈액에서 순환하는 종양세포(CRC)를 분리하기 위한 유연하고 조절 가능한 마이크로유체 필터를 개발하기 위해.
• 1:500만에서 1:1000만의 낮은 CTC 농도 문제를 해결하기 위해 필터 기하구조를 동적으로 조정할 수 있도록 하기 위해.
• 기계적 여과를 위한 최소 간극 크기를 시뮬레이션하고 최적화하여 적혈구와 백혈구와 구분된 CTC 여과를 위해.
• 마이크로자기비드 체인 형성과 유체역학 및 혈액세포 행동을 통합하여 현실적인 칩 설계를 위한 것이며.
• 기존 기계적 필터와의 성능을 검증하고 향후 CTC 칩 최적화를 위한 확장 가능한 시뮬레이션 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 유체역학은 고정된 오일러 메esh에서 Lattice-Boltzmann 방법(LBM)을 사용하고, 변형 가능한 혈액세포는 비고정된 라그랑주 메쉬에서 수침 경계 방법(IBM)을 사용하여 모델링된다.
• 혈액세포는 탄성과 유체를 충진한 물체로 모델링되며, 전단 및 굽힘 저항성 등의 정의된 기계적 특성을 스프링 기반 잠재 에너지 모델을 통해 표현된다.
• 자기비드 체인은 외부 자기장 하에서 이중극-이중극 상호작용과 힘을 계산하는 마이크로자기 모델을 사용하여 시뮬레이션된다.
• LBM은 D3Q19 기법을 사용하여 유체 속도 및 압력장을 해결하며, 수침 물체로부터 유래한 외부 힘은 IBM 결합을 통해 계산된다.
• 대규모 혈액 유동 및 입자 역학을 위해 ESPResSo 소프트웨어 패키지에서 도메인 분할을 통한 병렬 처리가 구현되어 여러 CPU에 걸쳐 스케일링된다.
• 시뮬레이션은 순차적 단계로 나뉘며, 자기비드 체인 형성, 체인 고정, 그리고 벽과 비드 체인과 상호작용하는 혈액세포가 포함된 유체 흐름 단계로 구성된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적혈구는 통과할 수 있지만 전이성 유방암세포를 포집하기 위해 필요한 자기비드 체인 간 간극의 최소 크기는 얼마인가?
• RQ2 외부 자기장 강도와 비드 자화율이 자기비드 체인의 간극 크기와 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 유체역학, 세포 기계학, 자기입자 상호작용의 조합이 조절 가능한 CTC 여과를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 시뮬레이션 결과가 기존 기계적 CTC 필터의 실험 데이터와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 유속 460 μm/s 조건에서 적혈구는 2 μm까지의 간극을 통과할 수 있어 높은 탄성변형성을 나타낸다.
• 전이성 MCF-7 유방암세포는 통과하기 위해 최소 12 μm의 간극이 필요하여 적혈구와의 효과적인 기계적 분리가 가능하다.
• 외부 자기장 하에서 자기비드 체인이 안정적으로 유지되어 신뢰성 있고 반복 가능한 필터 기하구조 조정이 가능하다.
• 외부 자기장 강도와 비드 자화율을 변화시킴으로써 비드 체인 간 간극 크기를 동적으로 조절할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 Lu 등이 개발한 막 슬롯 필터의 6 μm 간극과 같은 기존 기계적 필터의 실험 데이터와 일치한다.
• 프레임워크는 자기비드 체인 형성과 유체역학을 성공적으로 분리하여 복잡한 마이크로유체 시스템의 효율적인 순차적 시뮬레이션을 가능하게 한다.