Rano otkrivanje omogućava pravovremenu intervenciju kod mnogih bolesti pre nego što pređu u tešku fazu, često uz niže troškove lečenja. Ovo je posebno važno u slučaju raka, jer stadijum razvoja kancera u vreme inicijalne dijagnoze značajno utiče na prognozu i stopu preživljavanja pacijenta.
Stoga, redovni lekarski pregledi mogu obezbediti bolji opstanak i kvalitet života. Međutim, mnoštvo predmeta medicinskog pregleda čini iskustvo i voljenim i omraženim. Uz razne testove i procedure koje treba podvrgnuti, proces često može zauzeti značajan deo nečijeg dana.
U ovom trenutku, neko bi se mogao zapitati koliko bi bilo zgodno kada bi se sve bolesti mogle indikovati jednostavnim trominutnim testom krvi. Napredak savremene medicinske tehnologije postepeno pretvara ovu želju u stvarnost. Zaista, prisustvo značajnog broja karcinoma može se sugerisati ispitivanjem cirkulišućih tumorskih ćelija (CTC) u krvi. Međutim, koncentracija ovih CTC je često izuzetno niska, padajući ispod granice detekcije trenutnih instrumenata. Da bi se rešio ovaj problem, tehnologija razdvajanja ćelija pokazuje veliko obećanje.
Odvajanje ćelija se odnosi na proces izolovanja određene grupe ćelija iz biološkog uzorka, kao što je krv ili tkivo, uklanjanjem drugih ćelijskih populacija. Kroz tehnike razdvajanja ćelija, količina i koncentracija određenog tipa ćelije u biološkom uzorku može se povećati, zbog čega je ovaj proces poznat i kao obogaćivanje ćelija.
Ova tehnologija nalazi široku primenu u različitim oblastima, uključujući biološka istraživanja, dijagnozu bolesti, ćelijsku terapiju, skrining lekova i analizu gena. Na primer, obogaćivanjem CTC-a u krvi, postaje izvodljivo da se sprovedu testovi krvi za skrining raka u ranoj fazi, što značajno povećava dijagnostičku vrednost takvih pregleda.
Nedavno je istraživački tim sa Univerziteta Grifit objavio istraživački članak pod naslovom „Asimetrične prepreke omogućavaju jednostrano inercijalno fokusiranje i razdvajanje u sinusoidnom mikrokanalu“ u časopisu Ciborg and Bionic Sistems kao deo odličnog akcionog plana China Science and Technologi Journal. U svojoj studiji, oni su predložili novu metodu obogaćivanja ćelija koja koristi asimetrične prepreke u zakrivljenim mikrokanalima da bi se postiglo jednostrano inercijalno fokusiranje, što je rezultiralo povećanjem koncentracije tumorskih ćelija sa 1% na preko 90%.
Kako su postigli tako visok nivo obogaćivanja ćelija? Odgovor leži u korišćenju sinusoidnog mikrokanala sa asimetričnim strukturama prepreka.
Da bi se razjasnio mehanizam iza efekta sortiranja ćelija vijugavog mikrokanala, može se napraviti poređenje sa sličnim fenomenom uočenim u prirodnom svetu: vijugavim rečnim kanalima. U ravnim rečnim tokovima, opstruktivni efekat sedimentacije duž obe obale dovodi do nižih brzina toka na bokovima, dok centralni tok pokazuje veće brzine. Međutim, u vijugavim rečnim kanalima, spoljne obale konveksnih krivina doživljavaju veće brzine toka u poređenju sa unutrašnjim obalama.
Shodno tome, povećana brzina toka na spoljnoj strani olakšava veću eroziju obale, što rezultira daljim povećanjem stepena meandriranja rečnog toka.
Čak i bez uzimanja u obzir efekta erozije obale reke, princip sedimentacije prema konveksnoj obali zbog razlike pritiska i inercije uzrokovane razlikom u brzini toka je i dalje primenljiv. Ovaj princip se koristi u mikrofluidnim kanalima za razdvajanje ćelija. U zakrivljenim kanalima, ćelije imaju tendenciju da se akumuliraju na spoljnoj strani krivine (gde je brzina protoka veća) zbog inercije i razlike u pritisku.
Štaviše, pošto ćelije različitih veličina doživljavaju različite sile od inercije i pritiska, one se postepeno odvajaju. Manje ćelije imaju tendenciju da ostanu bliže granicama kanala, dok su veće ćelije sklonije da zauzmu centralni region. Stoga, implementacijom višestrukih krivina u kanalu, ćelije različitih veličina mogu biti efikasno razdvojene na osnovu kombinovanih efekata razlika u pritisku izazvanih brzinom protoka i inercije.
Inovacija ove studije leži u inkorporaciji različitih izbočina ili udubljenja unutar kanala kako bi se dodatno poboljšala efikasnost razdvajanja ćelija izazvana razlikama u brzini. Istraživači su prvobitno sproveli simulacije da bi istražili distribuciju polja brzine tečnosti u zakrivljenim kanalima sa različitim preprekama.
Kroz numeričke simulacije, otkrili su da je uvođenje izbočina ili udubljenja kao prepreka rezultiralo povećanjem srednje brzine protoka unutar kanala, što je dovelo do asimetričnije distribucije polja brzine. Oni su pretpostavili da bi ova asimetrična distribucija polja brzine mogla olakšati preferencijalno nakupljanje ćelija na jednoj strani kanala (jednostrano fokusiranje).
Nakon toga, oni su eksperimentalno potvrdili ovu hipotezu potvrđujući da je prisustvo prepreka u zakrivljenom mikrokanalu zaista izazvalo fokusiranje ćelije na jednoj strani kanala. Štaviše, primetili su da ovaj jednostrani efekat fokusiranja zavisi od veličine ćelija, što ukazuje na potencijal da se odvoje ćelije različitih veličina na osnovu ove karakteristike. Da bi potvrdio svoje pretpostavke, istraživački tim je prvobitno sproveo eksperimente odvajanja koristeći polistirenske mikrosfere od 10 mikrometara i 15 mikrometara.
Pod mikroskopijom svetlog polja, može se primetiti da se na ulazu male čestice (plavo) i velike čestice (crveno) mešaju zajedno. Međutim, na srednjem izlazu su vidljive pretežno velike čestice, dok se na drugom bočnom izlazu uočavaju samo male čestice.
Stoga, da li se ova karakteristika može koristiti za razdvajanje belih krvnih zrnaca (8-12 mikrometara) i tumorskih ćelija (16-18 mikrometara), koje imaju različite razlike u veličini? Da bi potvrdili ovu hipotezu, istraživači su sproveli sledeći eksperiment. Pripremili su mešavinu U87MG ćelijske linije raka i belih krvnih zrnaca (VBC) u odnosu 1:100 i ubrizgali je u mikrokanal.
Na izlazu iz kanala, primećeno je da su se ćelije raka značajno veće veličine agregirale na srednjem izlazu, dok su se VBC manje veličine akumulirale na gornjoj strani kanala. Kvantitativna analiza je otkrila da je nakon prolaska kroz ovaj mikrokanal koncentracija ćelija raka porasla sa 1,01% na 90,13%, što ga čini pogodnim za naknadnu detekciju i analizu.
Ova studija predlaže novi pristup za prilagođavanje i smanjenje inercijalnog položaja fokusiranja u mikrokanalima ugrađivanjem asimetričnih prepreka.
Ugrađivanjem asimetričnih obrazaca prepreka, kao što su jednostrani konkavni, jednostrani konveksni i konkavno-konveksni obrasci, u simetrične zakrivljene kanale, istraživači su primetili jedinstvene jednostrane šablone fokusiranja blizu bočnih zidova kanala u slučaju jednostranih kanala. bočni konkavni i konkavno-konveksni kanali prepreka, koji nisu bili evidentni u slučaju jednostranih konveksnih kanala prepreka. Štaviše, položaj jednostranog fokusiranja bio je osetljiv na veličinu čestica.
U suštini, uvođenjem konkavno-konveksnih uzoraka u zakrivljene kanale, čestice u fluidu se usmeravaju ka jednoj strani kanala, a ovaj fenomen agregacije takođe zavisi od veličine čestica; manje čestice teže da se akumuliraju bliže granici kanala. Koristeći ovaj fenomen, istraživači su postigli odvajanje ćelija različitih veličina.
Na primer, uspeli su da izoluju ćelije tumora iz uzoraka krvi koji sadrže bela krvna zrnca visoke čistoće (preko 90%), što je činilo izvodljivim da se skrininguju različite vrste raka na osnovu krvnih testova.
Sa napretkom u mikrofluidnoj tehnologiji i metodama medicinske detekcije, moguće je da u bliskoj budućnosti rutinski testovi krvi mogu obezbediti praćenje i rano otkrivanje većine bolesti, transformišući pejzaž medicinske dijagnostike.
