2019 Fiscal Year Annual Research Report
次世代リキッドバイオプシーを変革するマルチスケール流体セパレーターの実証
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19H02520
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
山田 真澄 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30546784)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関 実 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (80206622)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 細胞分離 / マイクロ流体デバイス / 生物化学工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の初年度である2019年度は，まず，連通する多孔性の基材によって部分的に形成されたシリコーン樹脂製マイクロ流体デバイスを作製する手法の開発を行った。主にNaCl微粒子を用い，シリコーン樹脂に導入した後に溶解させることで，連通孔の形成を可能とする条件を見出し，流動抵抗や細孔径の評価・推定を行った。また得られた多孔性基材を組み込んだマイクロ流体デバイスの設計を行い，その作製プロセスを検討した結果，最終的には平板を接合させるというシンプルな操作によって，クロスフローろ過を可能とするデバイスの作製が可能となった。直径がサブミクロンから数ミクロン程度の標準粒子を導入し，それらの分離精度を検証したところ，直径数10ミクロンのNaCl粒子を用いて形成した基材であっても，サブミクロンの微粒子の選択的分離・濃縮挙動が観察され，本研究で提案する新規分離装置のアイデアの実現可能性を実証することができた。現時点では0.5ミクロン程度の微粒子分離を実現できているため，現在は特に細胞外ベシクルを対象として，その閾値の制御および減少を目指した研究展開を行っている。また，作製したデバイスの応用として，血液に含まれる白血球の選択的濃縮・分離を試みたところ，白血球成分のほぼ完ぺきな除去，および，数倍程度の白血球の濃縮，を同時に達成することができた。多孔性部に一部の白血球が捕捉されている様子が確認されたものの，特にリキッドバイオプシーにおいて有用な細胞の選択的分離の可能性を示すことができた。またこれらの実験の他にも，特に多孔性の基材を組み込んだ数種類の流体デバイスを設計・作製し，細胞の溶液交換，細胞の捕捉と細胞内分子の可視化，などを実証したほか，多孔性基材を組み込んだ流体デバイスの応用として，液滴の形成という副次的な応用に関する可能性を示すことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
特に，入口を1つ，出口を2つ有する，最もシンプルな形状の分離装置として，当初の目的であった「多孔性基材を部分的に組み込んだクロスフローろ過装置」の原型となるシステムを開発した。現時点では，多孔性構造体の再現性および分離の制御性において解決すべき課題が存在しており，さらに血液細胞の分離についてはその精度は十分であるとは言えないが，特にサブミクロン微粒子の分離可能性を実証できたため，概ね当初の課題はクリアしたものと考えられる。また，作製したマルチスケールデバイスの，リキッドバイオプシー以外への応用可能性も示すことができ，マイクロ流路と，多孔性分離膜という，これまでにない組み合わせシステムの有用性を実証できた。以上を総括すると，概ね予定通り研究が推進したものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に開発した多孔性材料の作製法について，再現性および作製効率の向上を目指しつつ，実際のバイオセパレーターとしての適用を行う。具体的には，初年度に開発した流体デバイスの処理量向上のためのシステム設計および，多孔性部の流動抵抗および流体挙動の解析・評価を行い，実験と設計の間でフィードバックを行うことで，実用的な分離デバイスの開発を目指す。基材の作製については，これまでのソルトリーチングによるシリコーンの加工に加えて，単分散な球形ポリマー微粒子などを犠牲材料として用いる新規プロセスの開発も行いたい。そして具体的なバイオ分離のターゲットとして，これまでの標準粒子を用いた基礎検討に加えて，ヒト血液を用いた細胞および細胞外微粒子の分離，培養がん細胞をスパイクした血液サンプルからのがん細胞の分離，を中心として実験を行い，それぞれ実用化に必要な分離性能・処理量・操作性・再現性を満たすかどうかについて検討を行う。さらに分離のみならず、細胞の溶液交換や細胞の捕捉・染色などについても，それぞれのシステムの深化を目指し，実際の産業化を見据えた研究展開を行う予定である。特に，どの程度まで微小な対象を，どの程度の精度で分離精製できるかについて詳細な検討を行い，最終的にはエクソソームの分離精製のための基盤技術構築を目指す。
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