[論文レビュー] Sorting of particles suspended in whole blood

Stefan H. Holm, Zunmin Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 62被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、全血におけるマイクロ粒子の分離を目的とした決定論的側方移動（DLD）を調査し、赤血球圧出比に起因する軌道のずれや臨界粒子サイズ付近での分散に対してもDLDが効果的な分離を維持することを示している。シミュレーションと実験から、最小限のサンプル前処理で全血においてもDLDの頑健性が確認され、高スループット診断に適していることが明らかになった。

ABSTRACT

An important step in diagnostics is the isolation of specific cells and microorganisms of interest from blood. Since such bioparticles are often present at very low concentrations, throughput needs to be as high as possible. In addition, to ensure simplicity, a minimum of sample preparation is important. Therefore, sorting schemes that function for whole blood are highly desirable. Deterministic lateral displacement (DLD) has proven to be very precise and versatile in terms of a wide range of sorting parameters. To better understand how DLD performs for blood as the hematocrit increases, we have performed measurements and simulations for spherical particles in the micrometer range moving through DLD arrays for different flow velocities and hematocrits ranging from pure buffer to whole blood. We find that the separation function of the DLD array is sustained, even though blood cells introduce a shift in the trajectories and a significant dispersion for particles that are close to the critical size in the device. Simulations qualitatively replicate our experimental observations and help us identify fundamental mechanisms for the effect of hematocrit on the performance of the DLD device.

研究の動機と目的

• 高スループットなバイオ粒子の分離を目的とした、決定論的側方移動（DLD）の全血における性能を評価すること。
• 赤血球圧出比の上昇がDLDアレイ内での粒子軌道および分散に与える影響を理解すること。
• 広範な前処理を要せず、全血の直接分離がDLDで可能かどうかを評価すること。
• 赤血球圧出比依存の効果を再現するシミュレーションを用いて、実験結果の妥当性を検証すること。

提案手法

• 純粋なバッファーから全血まで varying な赤血球圧出比と流量条件下で、DLDアレイ内に球状マイクロ粒子を用いて実験を実施した。
• 粒子の軌道をリアルタイムで追跡し、予想される分離挙動と比較してずれや分散を定量した。
• 異なる赤血球圧出比条件下でのDLDアレイ内における粒子運動をモデル化するための数値シミュレーションを実施した。
• 実験観察を再現するために、流体力学的相互作用および赤血球に起因する流れの乱れをシミュレーションに組み込んだ。
• 異なる赤血球圧出比および粒子サイズにおける粒子の焦点化挙動を比較することで、分離関数を評価した。
• 臨界粒子サイズは、赤血球圧出比の影響によって分散が顕著に増加する閾値として特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全血における赤血球圧出比の上昇が、DLDアレイ内でのマイクロ粒子の軌道および焦点化にどのように影響するか？
• RQ2 全血処理時と希釈バッファー処理時とで、DLD分離関数はどの程度維持されるか？
• RQ3 高赤血球圧出比環境下で臨界粒子サイズ付近に粒子分散が増加する背後にあるメカニズムは何か？
• RQ4 シミュレーションは、全血における粒子分離挙動を正確に再現できるか？

主な発見

• DLD分離関数は全血中でも効果的であり、赤血球圧出比の変動にかかわらず粒子の焦点化が持続された。
• 赤血球圧出比の上昇に伴い、特に分離の臨界粒子サイズ付近の粒子では、軌道のずれが顕著に観察された。
• 臨界粒子サイズ付近の粒子は、赤血球との流体力学的相互作用により、全血中で顕著な分散を示した。
• シミュレーションは実験観察を定性的に再現し、赤血球圧出比に起因する流れの不均一性が軌道のずれの主な要因であると特定した。
• 臨界粒子サイズより著しく大きいまたは小さい粒子では、DLDの性能は全血中でも頑健であったが、臨界閾値付近では性能が低下した。
• 最小限のサンプル前処理が可能であり、DLDが全血を直接用いた高スループット診断ツールとして利用可能であることを支持する。