マイクロ流体デバイスによる高速EV計測・解析技術の開発

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J01468
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tokyo Medical University
• Principal Investigator: 津山 慶之 東京医科大学, 医学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Keywords: マイクロ流体工学 / 光学計測 / 細胞外微粒子

Outline of Annual Research Achievements

細胞外粒子（EV: Extracellular Vesicles）は、細胞間の情報伝達ツールとしてがんなどの様々な疾患に関与していることが近年明らかにされてきている。EVの粒子サイズや組成に多様性があることが報告されているが、その多様性の詳細と生物学的な役割は分かっていない。複雑で多彩なEVの機能を解明するためには、1粒子精度でのEV計測技術が必要であるが、直径100 nm以下のEVに対する無標識での計測・解析法は確立されていない。そこで本研究では、マイクロ流体デバイスを用いることで多様なEVを精細に分類して選択的に分取し、その生物学的役割を明らかにすることを目指した。2021年度は主として流体中においてEVを整列する手法について検討した。当初はEVの整列に音響波を利用することを考えていたが、研究を進める中で音響波による手法では直径100 nm以下のEVを計測に十分な精度で整列することは難しいことが分かってきた。そこでシース流を利用した流体力による整列手法の開発に取り組んだ。流体シミュレーションを利用して流路構造を検討・最適化することで数 μm程度の誤差で微粒子を流路中心へと整列させることに成功した。次に計測から分取までの時間誤差を最小化するために、流量条件や流路構造を検討した。デバイス内の各要素が計測や分取に与える影響を標準粒子と高速度カメラによるParticle image velocimetry法などによって評価した。以上の結果をもとに、計測から分取までの一連の操作を実現可能な流体デバイスを設計・作製した。また、計測・分取のための実験システムも構築した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定では、音響波を利用したEVの整列技術を開発することを目標としていた。研究を進める中で音響波による整列は高感度な計測を実現するには不十分であることが分かったが、シース流を利用した流体力による整列手法を開発することで微粒子の整列を実現することができた。さらに、研究を進める中でEVの高速計測や分取における種々の課題を見出し、それらを解決できるようなデバイスの設計指針を明らかにして統合デバイスの作製まで進めることができた。よっておおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

設計、作製したデバイスと実験システムにおいて計測性能や分取性能を検証し、それらを改善していくことで微粒子の高速計測・分取を実証する予定である。