RU222694U1

RU222694U1 - Device for isolating tumor cells from sperm and seminal fluid

Info

Publication number: RU222694U1
Application number: RU2023101346U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Ржевский; Алина Юрьевна Капитанникова; Андрей Васильевич Звягин; Ибрагими Варкиани Маджид; Александер Василеску Стивен; Разави Базаз Саджод
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Онко-Сортинг" (Ооо "Онко-Сортинг")
Filing date: 2023-01-23
Publication date: 2024-01-17

Abstract

Полезная модель относится к физике, а именно к устройствам для физического анализа жидких биологических материалов. Устройство функционирует по принципам инерционной микрогидродинамики, предназначено для выделения клеточных суспензий из спермы и определения присутствия опухолевых (атипичных) клеток в сперме при новообразованиях в мужской репродуктивной системе. Устройство для выделения опухолевых клеток из спермы и семенной жидкости состоит из корпуса, выполненного из двух соединенных между собой элементов, между внутренних сопряженных между собой поверхностей которых образован криволинейный спиралеобразный инерционный канал, форма сечения которого представляет собой невыпуклый пятиугольник, причем один из элементов содержит одно впускное отверстие спиралеобразного инерционного канала и два выпускных отверстия, при этом оба элемента выполнены из полимерного материала. 2 ил.

The utility model relates to physics, namely to devices for the physical analysis of liquid biological materials. The device operates on the principles of inertial microfluidics and is designed to isolate cell suspensions from sperm and determine the presence of tumor (atypical) cells in sperm during neoplasms in the male reproductive system. A device for isolating tumor cells from sperm and seminal fluid consists of a body made of two interconnected elements, between the internal mating surfaces of which a curvilinear spiral-shaped inertial channel is formed, the cross-sectional shape of which is a non-convex pentagon, and one of the elements contains one inlet an opening of a spiral-shaped inertial channel and two outlet openings, both elements being made of a polymer material. 2 ill.

Description

Область техники.Field of technology.

Полезная модель относится к физике, а именно к устройствам для физического анализа жидких биологических материалов. Устройство функционирует по принципам инерционной микрогидродинамики, предназначено для разделения цельной спермы, либо компонентов спермы, либо клеточных суспензий, либо семенной жидкости и/или полученных из нее клеточных суспензий, на две фракции по размеру клеточных компонентов: целевая фракция будет включать более крупные клетки, в том числе эпителиального происхождения, в том числе опухолевые, и остаточные сперматозоиды.The utility model relates to physics, namely to devices for the physical analysis of liquid biological materials. The device operates on the principles of inertial microfluidics and is designed to separate whole sperm, or sperm components, or cell suspensions, or seminal fluid and/or cell suspensions obtained from it, into two fractions according to the size of the cellular components: the target fraction will include larger cells, in including epithelial origin, including tumor, and residual sperm.

Уровень техники.State of the art.

Из уровня техники известно множество устройств на основе микрогидродинамики для сортировки клеток спермы. Большинство из них предназначено для решения задач в области репродуктивного здоровья и искусственного оплодотворения, их функция заключается в фракционировании сперматозоидов с целью отбора наиболее качественных клеток для последующих манипуляций. Так, из уровня техники известно микрогидродинамическое устройство для изоляции сперматозоидов и осеменения ооцитов TWENTY-SECOND FLOOR (заявка US 2006/0270021 А1, опубл. 30.11.2006). Устройство обеспечивает возможность проведения осеменения in vitro с использованием образцов спермы с повышенной подвижностью и с минимальными манипуляциями с хрупкими ооцитами. Сортировка сперматозоидов осуществляется в общем сортировочном канале, в котором более подвижные сперматозоиды пересекают границу между коламинарными потоками спермы и жидкости среды. Также известно устройство в виде микрофлюидного чипа, предназначенное для сортировки клеток спермы, и способное разделять между собой субпопуляции сперматозоидов (заявка US 2014/0273179 А1, опубл. 18.09.2014). Вышеперечисленные решения направлены на работу со сперматозоидами, прочие клеточные компоненты спермы, в том числе опухолевые клетки, не являются объектами исследований, и отсортировываются на разных стадиях работы устройств.There are many devices known in the art based on microfluidics for sorting sperm cells. Most of them are designed to solve problems in the field of reproductive health and artificial insemination; their function is to fractionate sperm in order to select the highest quality cells for subsequent manipulations. Thus, a microhydrodynamic device for isolating sperm and inseminating oocytes TWENTY-SECOND FLOOR is known from the prior art (application US 2006/0270021 A1, published on November 30, 2006). The device enables in vitro insemination using sperm samples with increased motility and minimal manipulation of fragile oocytes. Sorting of spermatozoa is carried out in a common sorting channel, in which more motile spermatozoa cross the boundary between the colaminar flows of sperm and medium fluid. A device in the form of a microfluidic chip is also known, designed for sorting sperm cells and capable of separating subpopulations of sperm from each other (application US 2014/0273179 A1, published 09.18.2014). The above solutions are aimed at working with sperm; other cellular components of sperm, including tumor cells, are not objects of research and are sorted at different stages of device operation.

Также из уровня техники известны устройства для выделения опухолевых клеток из различных жидких биологических материалов. В настоящее время развитие микроэлектромеханических систем позволило проводить исследования с использованием различных способов и устройств выделения опухолевых клеток из биологических жидкостей, преимущественно крови. Известно микрогидродинамическое устройство для обнаружения редких клеток в образце жидкости, содержащем содержит как редкие клетки, так и другие типы клеток (патент US 10677708 B2, опубл. 17.06.2019). Микрогидродинамическое устройство содержит впускное отверстие для приема образца жидкости, лабиринтную структуру канала, сообщающуюся по текучей среде с входным отверстием, и выпускное отверстие, сообщающееся по текучей среде с лабиринтной структурой канала для сбора редких клеток, отделенных от других клеток в образце жидкости. Среди недостатков данного устройства можно отметить длительное время работы устройства и сложную структуру каналов.Also known from the prior art are devices for isolating tumor cells from various liquid biological materials. Currently, the development of microelectromechanical systems has made it possible to conduct research using various methods and devices for isolating tumor cells from biological fluids, mainly blood. A microhydrodynamic device is known for detecting rare cells in a liquid sample containing both rare cells and other types of cells (patent US 10677708 B2, published 06/17/2019). The microfluidic device contains an inlet for receiving a liquid sample, a labyrinth channel structure in fluid communication with the inlet, and an outlet in fluid communication with the labyrinth channel structure for collecting rare cells separated from other cells in the liquid sample. Among the disadvantages of this device are the long operating time of the device and the complex structure of the channels.

Известно устройство (заявка WO 2015057159, опубл. 23.04.2015 г.), а именно, микрогидродинамический сортер для выявления и изоляции клеток, которое содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для приема циркулирующих опухолевых клеток и других клеток в образце; по меньшей мере один криволинейный и/или спиральный канал, через который образец подвергают частичным или полным циклам Дина для изоляции циркулирующих опухолевых клеток от других клеток; и по меньшей мере одно выпускное отверстие, выполненное с возможностью сообщения с каналом для подачи изолированных циркулирующих опухолевых клеток. Канал сконфигурирован для обеспечения, заданного соотношения сил на основе желаемого порогового размера циркулирующих опухолевых клеток. Вышеописанное устройство было создано для работы с кровью.A device is known (application WO 2015057159, published April 23, 2015), namely, a microfluidic sorter for identifying and isolating cells, which contains at least one inlet for receiving circulating tumor cells and other cells in the sample; at least one curvilinear and/or helical channel through which the sample is subjected to partial or complete Dean cycles to isolate circulating tumor cells from other cells; and at least one outlet configured to communicate with the channel for supplying isolated circulating tumor cells. The channel is configured to provide a predetermined force ratio based on the desired threshold size of circulating tumor cells. The above device was created to work with blood.

Следует отметить, что кровь и сперма значительно различаются по своему составу, физическим и химическим параметрам. Наиболее значительными для микрогидродинамических систем являются различия в вязкости и составе частиц и их распределению по размерам и форме. Основным форменным компонентом крови являются эритроциты в форме двояковогнутого диска, диаметром 6,2-8,2 мкм, следующими по численности являются тромбоциты, затем уже идут лейкоциты и прочие иммунные клетки, размером 4-20 мкм. Эпителиальные клетки, к которым относятся и опухолевые клетки, встречаются в крови в крайне малом количестве. Сперма же состоит из двух основных фракций - сперматозоидов (99,9% клеточных элементов), однородных по форме и размеру (размер головки 5×3,5×2,5 мкм) и незначительного количества эпителиальных клеток, также могут встречаться иммунные клетки. Таким образом, в рамках одного микрогидродинамического устройства нельзя равнозначно работать с различными биологическими жидкостями.It should be noted that blood and sperm differ significantly in their composition, physical and chemical parameters. Most significant for microfluidic systems are differences in the viscosity and composition of particles and their size and shape distribution. The main formed component of blood is erythrocytes in the form of a biconcave disk, with a diameter of 6.2-8.2 microns, the next most numerous are platelets, then come leukocytes and other immune cells, 4-20 microns in size. Epithelial cells, which include tumor cells, are found in extremely small numbers in the blood. Sperm consists of two main fractions - sperm (99.9% of cellular elements), uniform in shape and size (head size 5x3.5x2.5 µm) and a small number of epithelial cells; immune cells can also be found. Thus, within the same microfluidic device it is impossible to work equally with different biological fluids.

Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является расширение арсенала технических средств для разделения на фракции цельной спермы либо суспензии, полученной из спермы, отделение фракции более крупных клеток, выделение опухолевых клеток новообразований мужской репродуктивной системы из спермы.The technical problem that the utility model is aimed at solving is expanding the arsenal of technical means for separating whole sperm or a suspension obtained from sperm into fractions, separating a fraction of larger cells, and isolating tumor cells of neoplasms of the male reproductive system from sperm.

Раскрытие сущности полезной модели.Disclosure of the essence of the utility model.

Техническим результатом полезной модели состоит в реализации этого назначения.The technical result of the utility model is to implement this purpose.

Для достижения устройство состоит из корпуса, выполненного из двух соединенных между собой элементов, между внутренних сопряженных между собой поверхностей которых образован криволинейный спиралеобразный инерционный канал, причем один из элементов содержит одно впускное отверстие спиралеобразного инерционного канала и два выпускных отверстия, при этом оба элемента выполнены из полимерного материала, а сечение криволинейного спиралеобразного инерционного канала выполнено в виде невыпуклого пятиугольника.To achieve this, the device consists of a housing made of two interconnected elements, between the internal mating surfaces of which a curved spiral-shaped inertial channel is formed, and one of the elements contains one inlet hole of the spiral-shaped inertial channel and two outlet holes, while both elements are made of polymer material, and the cross-section of the curvilinear spiral-shaped inertial channel is made in the form of a non-convex pentagon.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез канала. На чертеже приняты следующие обозначения: 1, 2 - один и другой элементы устройства, 3 - линия соединения элементов 1 и 2, образованная внутренними сопряженными поверхностями элементов, 4 - спиралевидный инерционный канал, 5 - впускное отверстие, 6 - два выпускных отверстия. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1, 2 - один и другой элементы устройства, 3 - линия соединения элементов 1 и 2, 4 - спиралевидный инерционный канал в сечении, образованный элементами 1 и 2. А, В, С, D, Е - обозначение углов пятиугольника сечения криволинейного спиралевидного инерционного канала 4.The utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a general view of the device, Fig. 2 - cross section of the canal. The following designations are used in the drawing: 1, 2 - one and the other elements of the device, 3 - connection line of elements 1 and 2, formed by the internal mating surfaces of the elements, 4 - spiral-shaped inertial channel, 5 - inlet, 6 - two outlets. In fig. 2 the following designations are adopted: 1, 2 - one and the other elements of the device, 3 - connection line of elements 1 and 2, 4 - spiral-shaped inertial channel in cross-section formed by elements 1 and 2. A, B, C, D, E - designation of angles pentagon cross-section of a curvilinear spiral inertial channel 4.

Элементы 1, 2 выполнены из полимерного материала, например, из кремнеорганических полимеров - полидиметилсилоксана (ПДМС, например, Жидкость полиметилсилоксановая ПМС-200 ГОСТ 13032-77), силиконового эластомера, например, Sylgard® 184, и могут быть соединены между собой, например, спайкой, склеиванием, точечным нагревом, кислородно-плазменной резкой и т.п. Элементы микрогидродинамического устройства могут быть изготовлены с применением способов литья, формовки, микрофрезеровки, фотолитографии, микроперфорации.Elements 1, 2 are made of polymer material, for example, from organosilicon polymers - polydimethylsiloxane (PDMS, for example, Polymethylsiloxane Liquid PMS-200 GOST 13032-77), silicone elastomer, for example, Sylgard® 184, and can be connected to each other, for example, soldering, gluing, spot heating, oxygen plasma cutting, etc. Elements of a microhydrodynamic device can be manufactured using casting, molding, micro-milling, photolithography, and micro-perforation methods.

Возможности современной 3D-печати позволили создать криволинейный инерционный канал с формой сечения, представляющей собой невыпуклый пятиугольник.The capabilities of modern 3D printing made it possible to create a curved inertial channel with a cross-sectional shape that is a non-convex pentagon.

Следует отметить, что конфигурация сечения инерционного канала в виде невыпуклого пятиугольника, как наиболее оптимального сечения для выделения опухолевых клеток, количество витков спирали были выявлены авторами экспериментально.It should be noted that the configuration of the cross-section of the inertial channel in the form of a non-convex pentagon, as the most optimal cross-section for isolating tumor cells, and the number of turns of the spiral were identified by the authors experimentally.

Устройство для выделения опухолевых клеток из спермы и семенной жидкости работает следующим образом.A device for isolating tumor cells from sperm and seminal fluid works as follows.

В спиралеобразном инерционном канале 4 за счет принципов инерционной микрогидродинамики в процессе прохождения жидкости по каналу 4 происходит разделение единого потока разнородных компонентов спермы по размеру на два: более крупные элементы концентрируются у внутренней стенки канала, более мелкие - у внешней. Соответственно, одно из выпускных отверстий 6, через которое выходит фракция более крупных клеток, в том числе опухолевых (целевая фракция), соединено далее с блоком регистрации (не показано); второе из выпускных отверстий 6, через которое из канала 4 выходят сперматозоиды и прочие мелкие клеточные элементы и частицы (мусорная фракция) - в емкость для отработанной жидкости (не показано).In the spiral-shaped inertial channel 4, due to the principles of inertial microhydrodynamics, during the passage of fluid through channel 4, a single flow of heterogeneous components of sperm is divided into two by size: larger elements are concentrated at the inner wall of the channel, smaller ones - at the outer wall. Accordingly, one of the outlet holes 6, through which a fraction of larger cells, including tumor cells (target fraction), exits, is further connected to the registration block (not shown); the second of the outlet holes 6, through which sperm and other small cellular elements and particles (garbage fraction) exit channel 4 into a container for waste liquid (not shown).

Таким образом, клеточные компоненты спермы распределяются в инерционном канале 4 на две фракции; жидкость, содержащая целевую фракцию, выходит из выпускного отверстия 6, и далее по трубке поступает в блок регистрации (не показан), где оцениваются параметры клеточных элементов, а затем - в отдельную емкость для хранения (не показана).Thus, the cellular components of sperm are distributed in the inertial channel 4 into two fractions; the liquid containing the target fraction leaves the outlet 6, and then through the tube enters the recording unit (not shown), where the parameters of the cellular elements are assessed, and then into a separate storage container (not shown).

Кроме того, при экспериментальных исследованиях с использованием данного устройства с сечением криволинейного инерционного канала, сечение которого представляет собой невыпуклый пятиугольник, было выявлено, что эффективность выделения целевой фракции опухолевых клеток составила 87% (±4,5%), мусорной фракции - 99% (±0,7%).In addition, in experimental studies using this device with a cross-section of a curvilinear inertial channel, the cross-section of which is a non-convex pentagon, it was found that the efficiency of isolating the target fraction of tumor cells was 87% (±4.5%), the waste fraction was 99% ( ±0.7%).

Claims

A device for isolating tumor cells from sperm and seminal fluid, consisting of a body made of two interconnected elements, between the internal interconnected surfaces of which a curved spiral-shaped inertial channel is formed, and one of the elements contains one inlet hole of the spiral-shaped inertial channel and two outlet holes, both elements are made of polymer material, characterized in that the section of the curvilinear spiral-shaped inertial channel is made in the form of a non-convex pentagon.