Современные системы сортировки клеток могут выделять редкие клеточные фенотипы или субпопуляции клеток с различным поведением для биологических исследований. Основной метод известен как сортировка струей в воздухе или флуоресцентная сортировка клеток (FACS). Ячейки измеряются с помощью лазера и затем пропускаются через воздух в виде капель для индивидуального отклонения высоковольтными электродами. Струйно-воздушные системы непригодны для терапевтического использования из-за их низкой скорости обработки клеток, необходимости в высококвалифицированном персонале и риска нестерильной обработки жидкостей и образования капель в воздухе.
Решение сортировать ячейки в реальном времени
Исследователи из The Technology Partnership (TTP plc) в Кембридже разработали новую технологию сортировки микрожидкостных клеток - сортировщик клеток с вихревым приводом (VACS), в котором флуоресцентно-меченные клетки обнаруживаются оптически, а решение о сортировке клеток принимается в режиме реального времени. VACS состоит из входного канала и имеет новую геометрию для сортировки ячеек на два выходных канала, один для ненужных ячеек и один для представляющих интерес ячеек. VACS может решить многие проблемы, как сказал Робин Притчард, консультант по биологии в TTP: «Задача клеточной терапии состоит в том, чтобы сортировать достаточно быстро. С каждым сортировщиком притока клетки уничтожаются, если превышена предельная скорость. Альтернативой высокой скорости является мультиплексирование - параллельная работа нескольких сортировщиков клеток. Под объективом микроскопа должно быть установлено максимально возможное количество сортировщиков ». Команда хотела обработать около полумиллиарда клеток крови в час с высокой чистотой и выходом, что примерно в 10–20 раз больше, чем могут сделать обычные сортировщики клеток.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
Высокая скорость на небольшом пространстве
Размер устройства VACS составляет 1 мм x 0,25 мм, включая приводы, и может быть размещен на микросхеме с интервалом ~ 1 мм, включая все трубопроводы. Тонкопленочный микрообогреватель генерирует пузырьки теплового пара и имеет небольшой размер (~ 0,1 мм) и прост в изготовлении.
Однако тесты и симуляции Comsol Multiphysics показали, что выбранные приводы были слишком быстрыми и слабыми, чтобы перемещать ячейку самостоятельно. «Тогда у нас было вдохновение. Что если бы мы могли усилить смещение, вызванное приводом, используя принципы инерционной микрофлюидики? Привод должен использоваться для создания крошечного вихря, который течет вниз по течению с интересующей ячейкой и перемещает ее из потока отходов в поток сортировки. Идея VACS родилась », - сказал Причард.
Используя модель потока, команда TTP смоделировала эффект расширения и коллапса пузырька теплового пара, используя технику «движущейся стенки»: «Это имитировало край пузырька и эффект импульса 10 мкс пузырька теплового пара, но без него необходимость имитировать сложную физику деформации, которую может создать пузырь », - сказал Притчард. После нескольких итераций симуляции прототип впервые работал так, как задумано.
Валидация конечного продукта
Внутри VACS привод создает пузырь теплового пара, который расширяется и разрушается в течение 10 мкс. Это создает инерционный вихрь, который длится 200 мкс и постоянно отклоняет интересующую ячейку примерно на 20 мкм. Затем ячейка перемещается в канал сортировки, все остальные ячейки автоматически попадают в канал отходов. Команда была в состоянии проверить проекты, используя мультифизику. Притчард сказал: «При первоначальных проблемах с производством микросхем имитация часто была нашим лучшим инструментом, чтобы выяснить, что вызвало проблему, и устранить ее».
Быстрый темп развития
Сейчас команда строит мультиплексную версию чипа и тестирует несколько аспектов с помощью мультифизического моделирования. Причард объяснил: «Имея 16 входных каналов и 16 отдельных сортировщиков, мы имеем дело с очень сложной микрофлюидной системой, и мы должны обеспечить, чтобы одинаковое количество жидкости и клеток проходило через каждый канал».
Притчард добавил: «Мы надеемся протестировать мультиплексный дизайн в ближайшие месяцы и представим полное испытательное устройство, демонстрирующее эту технологию. Такой темп развития был бы невозможен без инструментов моделирования и симуляции, которые мы используем ». (Jup)