2021 Fiscal Year Research-status Report

Demonstration of an integrated cell processing device that revolutionizes minimally invasive prenatal diagnosis

Research Project

Project/Area Number	20K21100
Research Institution	Chiba University
Principal Investigator	関実千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (80206622)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山田真澄千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30546784)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Keywords	マイクロ流体デバイス / 医療診断 / 細胞分離
Outline of Annual Research Achievements	本研究の2年目に当たる2021年度は，細胞セレクターおよび溶液エクスチェンジャーの開発を行いつつ，本年度は特に処理量および細胞操作効率の向上を図る。また，細胞ディテクターにおける細胞トラップの高効率化を目指し，新規捕捉原理の実証を行った。細胞セレクターとしては，これまでに開発を行ってきたマイクロ流体デバイスについて，その処理量と精度を向上するための流路構造の最適化を行った。特に，細胞分離に必要なシース液を細胞懸濁液から生成させるような「シース生成装置」を開発し，それをサイズに基づく分離デバイスである格子状流路構造に統合させる新規アプローチを開発した。血球細胞を対象とした分離実験を行ったところ，分離の精度は十分ではないものの，操作性および処理量の向上が確認された。さらに，細胞ディテクターおよび溶液エクスチェンジャーについては，これまでの薄層型流路構造を用いた手法に加えて，スポンジ状材料を組み込んだ細胞の捕捉および多段階化学処理システムを開発した。連通する微細孔を形成した平面状のスポンジ状基材を作製し，その基材に対して垂直方向に流れを導入するデバイスを開発した。培養白血球細胞を用いた評価を行ったところ，細胞を基材の表面に捕捉し，さらに化学固定・膜透過処理・染色といった一連の操作を簡便に実行できることが確認された。さらに，希少細胞のモデルとして，ヒト末梢血液サンプルを希釈し，わずかながん細胞をスパイクして導入したところ，細胞内部の特定の分子（例としてF-actinやCK19）を染色できることが確認され，希少細胞の可視化および定量化を実現できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 細胞セレクター，ディテクター，溶液エクスチェンジャー，の3つのデバイスについて，それぞれの性能を最大化するための構造や操作プロセスの最適化を行い，各ユニットの有用性を示すことができた。また，特にヒト末梢血サンプルに含まれる希少細胞の検出が可能であることが確認された。現在，これらのユニット間の連結という課題はあるものの，概ね順調に研究が推進していると言える。
Strategy for Future Research Activity	本研究の最終年度に当たる2022年度は，特に末梢血NBRCへの適用を見据えた展開を行う予定である。特に，Fluorescence in situ hybridizationを行うことで，細胞ディテクターにトラップした細胞の内部に存在する染色体の可視化を実証したい。そのためには，特に溶液交換時に精密な温度制御を行うための実験系を確立する予定である。さらに，末梢血に含まれる細胞のワンステップ検出のためにも，細胞セレクターとディテクターの直列接続を実証したいと考えている。まずセレクターによってターゲット細胞を濃縮し，非ターゲット（主に赤血球）を排除するシステムを検証する。また白血球については，NRBCとのサイズのオーバーラップが想定されるため，抗体を用いたネガティブセレクション（非ターゲットの抗体による捕捉と除去）の利用も想定する。当面は，セレクターによって選抜・濃縮されたターゲット細胞を，下流のディテクターに手操作にて導入する実験系を検証する予定であるが，場合によってはこれらのデバイスを直列接続した統合型の流路システムを開発し，その有用性を実証したい。