JP2020513798A - ガン細胞の血液からの連続的分離および循環系でのその豊富化のための非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル - Google Patents

ガン細胞の血液からの連続的分離および循環系でのその豊富化のための非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル Download PDF

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Abstract

本発明は、血液においてめったに見出せない転移ガン細胞の血球からの分離およびその豊富化を可能にする非対称カール（2）により構成される、らせん形状を有するマイクロチャネル（1）に関し、それによって粒子または細胞をより一層早くフォーカスさせ、およびそこでは、より一層広い流速範囲において高品質粒子フォーカシングを実行することができる。

Description

本発明は、血液においてめったにない転移ガン細胞の血球からの分離およびその豊富化を可能にする非対称カールで構成されるらせん形状を有するマイクロチャネルに関する。
より一層具体的には、本発明は、粒子または細胞をより一層早くフォーカスさせる非対称カールで構成されるらせん形状を有するマイクロチャネルに関し、およびそこでは、高品質粒子フォーカシングをより一層広い流速範囲において実行することができる。
先行技術
今日では、達成されたナノテクノロジーのおかげで、多くの分野、例えば、物理学、化学、および医学などのようなものにおいて、重要な問題はナノメートルサイズの構造によって解決することができる。かかる構造の一例はマイクロチャネルである。マイクロ流体技術が使用されるこれらのチャネルで、それらが特に医学において使用され、およびμｍサイズの半径を有するものの内部には、数十個の細胞を個別に配置し、およびそれらの周囲の媒体を変化させることができ、およびそのような変化の影響を調べることができ、またはそれらがそれらの周囲へ適用する力を測定し、および算出することができる。
この技術において、様々なマイクロチャネルシステムが開発されている。
既知の技術水準の米国特許文献で、出願の公開番号第US2009014360A1号を有するものでは、異なる方法および装置が言及され、それらは移動流体と共に望ましい方向において、既知の位置を有する複数のフローストリームまたはマイクロチャネル中への分子のフォーカシングを可能にする。分子は、必要に応じて、前記フローストリームまたはポンピング部分を有するマイクロチャネルを通過する流体により提供される内力によって、一またはそれよりも多く（一以上とも言う）のマイクロチャネルの内部のチャネルに運ぶことができる。また、前記ポンピング部分に接続されたマイクロチャネルは非対称の幾何学的形状において望ましい直径にカールしており、および従って分子は流体において望ましいパラメータの範囲内に向けることができると述べられる。
最新技術の国際特許文献で、出願の国際公開番号WO2014046621A1を有するものには、傾斜し、および連続したマイクロ流体工学デバイスで、一の入力を有するものが言及される。前記文献において、このマイクロチャネルは直線状およびカール状として、またはらせん（渦巻き線）として構成することができると述べられていないことはない。
中国特許文献で、出願の公開番号第CN105462834A号を有するものには、腫瘍細胞を捕獲するように製造され、その端部に入力および出力を有するらせん形状に設計されたマイクロ流体チップが言及される。
しかしながら、既知の技術水準で含まれるマイクロチャネルシステムにおいて、細胞は、一定の流速を捉え、および良好なフォーカスを有するためにチャネルの内部でより一層長い距離を通過しなければならない。この場合、外部の機械的効果に対して低強度しか有さない細胞は、高流速によって作り出される剪断応力の悪影響のためにマイクロチャネルシステムに使用することができない。さらに、マイクロチャネルを通した分離によって得られる細胞について行われる実験室研究の信頼性は、細胞の生理的特性が活力に加えて外部の機械的効果、例えば、剪断応力などのようなものによって変化するために疑われるようになる。
上述の問題を克服するために、非対称カールにより構成される、らせん形状を有するマイクロチャネルを開発するための必要性が存在する。
本発明の目的および簡潔な説明
本発明の目的は、高品質粒子フォーカシングが広い流速範囲において実行される、非対称カールにより構成される、らせん形状を有するマイクロチャネルを具体化することである。
本発明の別の目的は、粒子または細胞をより一層早くフォーカスさせる、非対称カールにより構成される、らせん形状を有するマイクロチャネルを具体化することである。
本発明の別の目的は、機械的効果に対して低い耐性しか有さない細胞を損傷させることなくマイクロチャネルの内部に集めることができる、非対称カールにより構成される、らせん形状を有するマイクロチャネルを実現することである。
本発明の別の目的は、診断時間を短縮する、非対称カールにより構成される、らせん形状を有するマイクロチャネルを実現することである。
目下の細胞混合物は、単一の入口点中に、非対称カールにより構成されるらせん形状（サンフラワー、ヒマワリ状とも言う）を有するマイクロチャネルへの流体と一緒に、ポンプ輸送される。この細胞運搬流体は、非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネルの内部を循環する一方、異なるサイズおよび密度を有する変形可能な細胞は、マイクロチャネルの形状によって作り出される抵抗力およびけん引力によりチャネルの内部の異なる点に進む。このプロセスの後、形成された細胞群は、チャネルの端部にて異なる出口に運ばれ、およびそれらは検査のためにこれらの出口から収集することができる。本発明のマイクロチャネルの幾何学的利益のおかげで、細胞をろ過することができる膜または外力で、例えば、電気、磁気および音響力（acoustical forces）などのようなものを必要とせず、および従って分離技術を受動的に実行することができる。
図面において、次のことを示す。
非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネルの図である。 0.3ml/分および1.5ml/分の間の可変流速での本発明のマイクロチャネルの粒子フォーカス（粒子集束とも言う）の蛍光顕微鏡の図である。 0.3ml/分および1.5ml/分の間の可変流速での非対称マイクロチャネルの粒子フォーカスの蛍光顕微鏡の図である。 0.3ml/分および1.5ml/分の間の可変流速でのらせんマイクロチャネルの粒子フォーカスの蛍光顕微鏡の図である。 チャネルにおいて得られる粒子フォーカスの質を定量的に比較するグラフである。 50μmの高さを有するマイクロチャネルのフォーカスライン（集束線とも言う）の顕微鏡の図である。 60μmの高さを有するマイクロチャネルのフォーカスラインの顕微鏡の図である。 50μmおよび60μmの高さを有するマイクロチャネルの出力から得られる結果のグラフィックである。 マイクロチャネルにおいて壁に近い出口で収集されている間の低流速での粒子の顕微鏡の図である。 マイクロチャネルの中心に近い他の出口から収集されている間の高流速での粒子の顕微鏡の図である。 らせんマイクロチャネル形状および非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル間の粒子フォーカスフォーメーション速度比較の顕微鏡の図である。 9.9μm直径の粒子および3.0μm直径の粒子を混合することによって得られる比較実験結果のグラフである。
本発明の詳細な記述
本発明の目的を達成するために具体化された非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネルおよび実験結果を図において示す。
本発明はマイクロチャネル（1）であり；
-非対称カール（2）を含み、およびらせん形状を有する。
臨床および生物学の分野において適用されるとき、マイクロ流体工学は細胞分離法によって血液循環においてガン細胞の改善された診断を可能にする。しかしながら、特性、例えば、プロセス効率、プロセス速度および作業精度などのようなものは、マイクロ流体システム間で実質異なる。いくらかのシステムは、細胞分離のために細胞をろ過することができる膜を必要とするが、他のシステムは外力、例えば、電気、磁気および音響力などのようなものを必要とする。そのようなシステムは、問題、例えば、高コスト、プロセスおよび生産の複雑さ、ならびに細胞の活力に対する望ましくない影響などのようなものを引き起こす。
本発明のマイクロチャネル（1）を含む、受動的分離技術（何らの外力もなしに細胞分離を実行する技術の包括的名称）は、それらの低い効率、比較的低いプロセス速度のために実際に使用されるほどに十分に開発されておらず、および最適な作業点（optimum working points）で使用されるだけである。
慣習的な実験室および臨床プロセスと比較するとき、非対称カール（2）により構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル（1）（サンフラワー）は、時間および費用の観点から、より一層コンパクトで、より一層広い範囲およびより一層適切な構造として考えることができる。他のマイクロ流体システムは、制限で、例えば、実験室環境の外部での生産および作業原理の適用の困難さ、外力を必要とすること、長い処理時間を必要とすること、細胞を損傷させることなどのようなものを有するが、その一方で、非対称カール（2）により構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル（1）は、これらの制限を克服する。それは、能動的な分離手順とは対照的に、流れによって形成される流体力の影響によって細胞を連続的に分離する構造であるため、それは、より一層多くのサンプルをより一層早く処理し、および診断プロセスを短縮することができる。
非対称カール（2）により構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル（1）は、細胞の形態、種類および電気的/磁気的性質とは無関係に細胞を分離することができる。このマイクロチャネル（微小流路とも言う）（1）は、何らの膜をも含まない構造を有し、およびそれは外力を必要としない。したがって、このシステムは細胞の活力に影響を与えない。
このようにして、混合物においてまれな細胞または粒子は、分離され、および後の実験室検査のために貯蔵することができる。以前の技術とは対照的に、それは細胞位置を連続的に、および実質広い流速範囲にて高精度により操作する能力を提供する。さらに、このマイクロチャネル（1）の幾何学的形状の特別な構成によって形成される有効な流体力のために、それは、短時間において、および短い距離にて細胞の早期フォーカシングを提供することができる構造である。
目下のシステムにおいて、細胞の良好なフォーカシングのために、細胞は一定の流速を捕らえ、および長距離を通過しなければならない。しかし、開発されたマイクロチャネル（1）はこれらの欠点を克服する。このマイクロチャネル（1）は、生物学的要因によって汚染された水の洗浄において、および証拠として役立つことができる犯罪現場で収集されたサンプル内部の粒子または細胞の分離において使用することができるので、それはまた、液体生検と呼ばれる技術を通してガンの早期診断にも寄与することができる。
マイクロチャネル（1）において、プライマーガン組織を診断することができるよりもずっと前に、ガン細胞が転移を通して血統（blood line）中に漏れることが促進される。疾患の症状が始まる前に血液内で非常に低い割合であるガン細胞は、マイクロチャネル（1）内部で血液サンプルを処理することによって細胞に分離することができ、およびガン細胞を識別することができる。これは、早期診断を通して疾患の処置を容易にし、および疾患のさらなる段階での処置中に起こり得る財政的および精神的困難を排除する。
その上、分離されたガン細胞は、損傷を受けずにシステムから収集することができ、それは多くのシステムでは可能ではなく、およびさらなる検査のために関連する細胞研究室に送ることができる。そのようにして、プライマーガンの種類、位置およびサイズを識別することができ、およびペイシェント（人間で言う患者）に特異的なより一層有効な処置を開発することができる。これらの利益は必要としている人々にとって非常に重要であり、それは、マイクロチャネル（1）が、蠕動マイクロポンプと一体化されたとき、効果的で、高効率で、安価な、小型の、可動式ガン診断システムを提供するからである。
粒子分離および豊富化のために開発されたマイクロチャネル（1）の最も重要なプラスの側面の一つは、それが非常に広い流速範囲にて高品質の粒子フォーカシングを得ることができることである。スパイラルだけのマイクロチャネル、およびカーブしただけのマイクロチャネルシステムと比較したとき、構造の前記特性がどのような改善をもたらすかを試験するために、異なるシステムが異なるサイズで生産され、および広い流速範囲にてテストされる。
典型的な哺乳類細胞のサイズである直径9.9μmのポリスチレン粒子を用いて行った実験では、粒子フォーカシングは、他のシステムにおいて0.7ml/分の流速の前に発生せず、および粒子は、非対称カール（2）により構成されるらせん形状を有する開発されたマイクロチャネル（1）内部のすべての流速範囲間でフォーカルライン（焦線とも言う）においてフォーカスする。さらに、フォーカスが形成されたとしても、非対称カール（2）により構成されるらせん状形状を有するマイクロチャネル（1）の粒子フォーカスの品質に関して、他のシステムにおいて粒子フォーカスがより一層低い品質で発生することが観察される。（図2、図3、図4および図5）。行われた定量的比較により、フォーカスの品質において、および従って粒子の分離および豊富化の可能性において低流速でせいぜい487％、最適なフォーカシング流速でせいぜい14％の改善があることが示される。
これらの得られる結果は、他の二つのシステムと比較するとき、開発されたマイクロチャネル（1）において粒子をより一層良好にフォーカスすることができ、および他のシステムにおいて観察することができない低流速でのフォーカスフォーメーション（集束形成とも言う）を観察することができることを示す。したがって、最新の形状を用いることで、高速フォーカシングが実現されるだけでなく、また予期しない結果も達成され、および低流速でのフォーカスフォーメーションが観察される。
非対称カール（2）により構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル（1）は、らせんおよびカーブしたマイクロチャネルシステムに関し（whit respect to）、より一層良好な粒子フォーカシング特性を見せる。作業流速をシステムの最適値に調整することが可能でなく（ほとんどの場合、そのようなシステムは単独では働かず、それらは、それらの入力および出力において他のシステムに接続される。これらのシステムが別の流速で動く必要があるとき、システムは流速において変化に適応し、および許容することが期待され）、または望ましい流速を一定の値に正確に維持することが技術的に可能ではないとき、これが唯一の解決策のように考えられる。
開発されたマイクロチャネル（1）は、HL60ガン細胞を使うことによってテストされ、および好首尾な結果が得られる。非対称カール（2）を伴って構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル（1）による実験において、広い流速範囲にて得られるHL-60細胞の高品質フォーカルラインを、50μmおよび60μmの高さを有するマイクロチャネル（1）の出力から得られる結果にて観察することができる。（図6、図7および図8）。
これらの実験に照らし、広い流速範囲にて望ましい位置でチャネル内部の粒子または細胞のフォーカシングの利益を示すために、同じマイクロ流体システムを、四つの出力チャネルを含むように再構築する。より一層低い流速にて側壁に近い出力から収集される粒子は、流速が増加するにつれてフォーカルラインが中心に近づくため、高い流速にて他の出力から収集することができる。例えば、2.5ml/分の流速にてチャネル中に注入される流体において均一に混合される直径9.9μmの粒子の99.57％は、チャネル番号二（channel number two）から収集することができる（図9および図10）。
広い流速範囲においてフォーカル品質（focal quality）を維持することは、流速調整によってマイクロチャネル（1）の内部の粒子のフォーカルラインの正確な操作へ次第に導き、およびこれは、異なる出力から出てくることによって、異なる作業条件にて粒子の豊富化を可能にする。低流速では、粒子は壁に近い出力から収集され、および高流速では、粒子はチャネル中心に近い他の出力から収集される。
開発されたマイクロチャネル（1）の別の一つの利益は、それが粒子または細胞をより速くフォーカスさせることでである。
行った比較実験では、直径9.9μmの粒子はマイクロチャネル（1）の第二回転目でフォーカスフォーメーションを完了する一方、スパイラルマイクロチャネル形状の第四回転目ではより一層低い品質のフォーカスはほとんど形成されない（図11）。この結果は、開発されたマイクロチャネル（1）が、より一層少ないスペースを占有しながら、らせん形状を有するチャネルと同じ役目を実行することができることを示す。
最後に、一よりも多くの粒子により行う実験において、マイクロチャネル（1）によって形成されるフォーカスの品質での低下さえ観察され、それでも収集された粒子のフォーカスの品質は他のシステムに比べるとき、より一層良好である。混合粒子実験では、直径3.0μmの赤色粒子は直径9.9μmの緑色粒子と共に用いてチャネル内部に分布させる間、直径9.9μmの粒子はチャネルの内部側壁の近くにフォーカスする。この実験によって、図9に示すような出力ユニットに似たものを統合することを通して、直径9.9μmを有する粒子の豊富化が可能であることが示される。他のチャネル形状において最良の粒子フォーカル品質が得られる流速値は、文献において見出すことができる他の独立した研究で得られる最適な流速値に匹敵する（図12）。

Claims (1)

  1. 本発明は、血液においてめったに存在しない転移ガン細胞の血球からの分離およびその豊富化を可能にするマイクロチャネル（1）であり；非対称カール（2）を含み、およびらせん形状を有することによって特徴付けられる。
JP2019547697A 2017-03-17 2018-03-16 ガン細胞の血液からの連続的分離および循環系でのその豊富化のための非対称カールにより構成されるらせん形状を有するマイクロチャネル Pending JP2020513798A (ja)

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