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 佐賀大学, シンクロトロン光応用研究センター, 准教授 (60613594)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• 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、得られたデータを参考にして、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、肉厚の組み合わせを選び出して実験を行った。ヒト乳腺上皮細胞の生・死細胞を用い、ガラスキャピラリーに細胞試料を流し、細胞分離実験を行った。
令和5年度の実験では4重極電極に負荷する交流電圧について、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た。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、交流周波数については2~30 kHz以下であれば、細胞分離が行われることを確認したが、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た。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。
令和６年度はガラスキャピラリーの代わりに薄いビニールシートを用いてデバイス管を作成し、電場負荷の実験を行った。負荷電場の強度を上げると電極間でアーク放電が生じてしまい、期待した電場強度がなかなか得られない状況である。今後さらに電極間に絶縁性材料を充てんするなどの対応策で期待通りの電場強度を得られるように実験を進めてゆく。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

デバイスの設計・製作を行い、細胞分離実験の実施、作成するデバイスの構造・素材の見直し、電場解析の数値シミュレーション結果との比較で、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。しかしながら、細胞分離率については十分な好成績が得られておらず、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。れいわ６年度までの研究で、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ビニールシートやシリコンシート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。