4重極型キャピラリー誘電泳動を用いた新しい細胞分離技術の開拓

• Project/Area Number: 23K03669
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
• Principal Investigator: 多田 茂 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 教授 (70251650)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松元 藤彦 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 教授 (10531767) ; 江口 正徳 呉工業高等専門学校, 電気情報工学分野, 准教授 (60613594)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 細胞分離 / 誘電泳動 / 4重極キャピラリー / 4重極電極 / 交流電場

Outline of Research at the Start

多量の細胞試料中の特定の稀少細胞を高速・高精度に分離する技術として、交流による誘電泳動を利用したマイクロデバイスが注目を集めている。しかしながら、既存デバイスでは、電極近傍に生成される不均一電場により細胞操作を行うため、微量の細胞試料の分離には有利であるが、多量の細胞試料を分離する技術への対応には課題が残る。本研究では、多量の細胞試料の高速・高精度な分離を可能にする方法として、4重極電極を用いたキャピラリー細胞分離技術を提案する。提案デバイスを製作し、細胞分離の実験と数値解析を行うことでデバイス機能の最適化を行い、将来の臨床応用を目指した新しい細胞分離デバイスの基本デザインを提示する。

Outline of Annual Research Achievements

細胞分離に最適な電場分布を得られる電極直径と、ガラスキャピラリー直径、肉厚の比を数値シミュレーションで求めた。得られた値を参考にして、実際に用いる真鍮丸棒の電極径とガラスキャピラリー直径、肉厚の組み合わせの候補を幾つか選び出し、実験を行った。実験はヒト乳腺上皮細胞の生細胞と死細胞を用い、ガラスキャピラリーに細胞サンプルを流し、電場に対する細胞の誘電泳動効果による応答を確認する実験を行った。4重極電極に負荷する交流電圧については、数値シミュレーションと理論解析によって得られた値を用いても期待した誘電泳動効果が得られなかった。この理由として考えられたのは、ガラスキャピラリー内に電場が上手く生成されていないことが考えられる。溶液導電率については、溶液導電率が1 mS/mのときに死細胞がガラスキャピラリーの中央部に集まり、生細胞 がキャピラリー外周部に集められることを確認した。交流周波数については2~30 kHz以下の値であれば、生・死細胞の分離が行われることを確認した。 次に電極直径と、ガラスキャピラリー直径、肉厚を決定後、生・死細胞をマンニトール等張溶液に懸濁させたサンプルをデバイスに流して分離実験を行ったが、 好成績は得られなかった。分離実験が上手くいかない理由としては、ガラスキャピラリー内の電場が弱いことと、ガラスキャピラリーが細すぎたことにあると考えられる。実験に使用していた高周波電源用増幅器の仕様の関係で細いガラスキャピラリーを用いていたが、キャピラリー内径が細すぎたため、細胞分離に時間がかかり、その間に細胞が死滅してしまっていたことも分離率を著しく下げた原因であると推定された。今後はガラスキャピラリーの代わりに薄いビニールシートやシリコンチューブを用いるなど、デバイスのキャピラリー内に効率よく電場を生成できる構造に変更し、引き続き細胞分離実験を進める予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

デバイスの設計・製作を行い、細胞分離実験を行うことで提案デバイスの動作特性について理解を進めることが出来たが、細胞分離率については好成績が得られず、研究は試行錯誤しながら行っているため当初の予定より遅れている。しかしながら、これまで行ってきた実験の問題点がある程度明確になり、細胞分離の高効率化に必要な要因と実験条件の絞り込みが出来るようになり、問題の解決が見通せるようになった。

Strategy for Future Research Activity

分離効率をさらに高めるためには、キャピラリー内に電場を効率的に生成させることと、分離実験に要する時間を短縮し、細胞が死滅するリスクを避けることが重要である。そのためには効率的により強い電場を生成できるようにデバイスを改造し、さらにデバイスを大型化することで単位時間あたりの細胞処理能力を増大させる必要がある。今後の研究では4重極電極キャピラリーのキャピラリー素材をガラスからシリコンなどに変更すると共にやや大型化し、それに伴って負荷電圧の大きさも見直すことで、キャピラリー内の電場生成プロセスの効率化と大幅な改善を図りたい。