Сотрудники Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН разрабатывают методику отбора частиц биологических жидкостей, которая может использоваться в медицине, в том числе во вспомогательных репродуктивных технологиях. Способ основан на методе детерминированного бокового смещения (DLD), считающегося одним из самых перспективных, универсальных и доступных инструментов для гидродинамической сортировки объектов микронных и субмикронных масштабов.
Стенд для исследований гидродинамики в микрофлюидных системах. Источник фото: Кирилл Сергеевич
Разделение, выделение и детектирование частиц в суспензии важны для широкого спектра применений, включая биомедицинские исследования и клиническую диагностику. Метод детерминированного бокового смещения (англ. Deterministic Lateral Displacement) считается перспективной технологией благодаря своей способности непрерывно разделять частицы по размеру, форме, деформируемости и электрическим свойствам с высоким разрешением. Благодаря высокому разрешению и широкому динамическому диапазону разделения по размеру DLD широко используется для сортировки, концентрирования и выделения многих биологических частиц. Метод DLD сегодня используется в первую очередь для выявления циркулирующих опухолевых клеток в крови для диагностики рака на ранней стадии, а также для разделения лейкоцитов и эритроцитов при диагностике малярии, сортировки стволовых клеток, ДНК и других частиц.
В рамках выполнения гранта Российского научного фонда под руководством старшего научного сотрудника лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидата физико-математических наук Анны Александровны Ягодницыной проводятся исследования по разработке управляемых DLD-чипов, повышению эффективности метода DLD, а также применению метода DLD для репродуктивной медицины.
«В нашей лаборатории метод DLD уже реализован в виде чипа с массивом столбиков диаметром до 50 микрометров, который позволяет сортировать мельчайшие объекты до 20 микрометров. С помощью современных оптических методов диагностики потоков с микронным разрешением мы исследуем гидродинамику течения в таких устройствах с целью повышения их производительности», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Владиславович Ковалев.
Микрофлюидный DLD-чип представляет собой массив столбиков, расположенный под небольшим углом: каждый следующий ряд сдвинут относительно предыдущего. Благодаря такой геометрии частицы разных размеров движутся по разным траекториям: частицы меньше критического размера следуют линиям тока, в то время как частицы размером больше, как правило, движутся вдоль рядов столбиков, таким образом, траектории разных по размерам частиц разделяются.
«В такой конфигурации чип имеет широкий диапазон разделяемых частиц, например, уже сейчас мы можем разделять опухолевые клетки и эритроциты. В числе преимуществ DLD: простота конструкции, высокая скорость работы и отсутствие активных элементов управлении потоком, то есть без внешнего электрического и механического воздействия на сортируемый объект. Однако современные DLD-чипы имеют существенное ограничение: характерный диаметр частиц, которые могут быть отсортированы, строго определяется геометрией чипа. Это означает, что, если вы захотите изменить диапазон сортируемых частиц, вам понадобится новый DLD-чип с другими геометрическими параметрами. В рамках первого года реализации проекта мы создали прототип настраиваемого DLD-устройства, позволяющего гибко регулировать диапазон размеров разделяемых объектов», — отметил основной исполнитель проекта старший научный сотрудник лаборатории физических основ энергетических технологий ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Максим Владимирович Шестаков.
Помимо сортировки опухолевых клеток, технология новосибирских ученых может использоваться во вспомогательной репродуктивной медицине. В репродуктивном тракте движение сперматозоидов определяется рядом факторов: реотаксисом — движением против течения, термотаксисом — движением по температурному градиенту и хемотаксисом — движением по градиенту концентрации химических веществ. Одна из задач сотрудников ИТ СО РАН — воссоздать в микрочипе условия, максимально приближенные к естественным. Необходимо снабдить массив столбцов в чипе определенным химическим составом и подобрать температурный диапазон, что в итоге позволит существенно повысить эффективность процедур искусственного оплодотворения.
По словам руководителя проекта А.А. Ягодницыной, такой метод отбора сперматозоидов может стать важным инструментом для репродуктивной медицины и продемонстрировать новые возможности и преимущества перед технологиями, которые применяются сегодня в этой области: «В нашей работе важно тесное сотрудничество с медиками. Мы планируем создать микрофлюидный чип, в котором будут воспроизведены характеристики среды репродуктивного тракта. Совместно с врачами-репродуктологами мы сравним нашу технологию со стандартными методами. Точность отбора сперматозоидов в нашей системе минимизирует влияние человеческого фактора на итоговый результат, а также исключает механическое воздействие, которое может привести к повреждению отбираемых клеток».
Результаты работы были изложены в докладе на XII Российском форуме биотехнологий OpenBio-2025.
Работа поддержана грантом РНФ 24-79-10291 «Разработка управляемых микрофлюидных систем сортировки для фармацевтических и вспомогательных репродуктивных технологий».
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Кирилл Сергеевич
