В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН ведется разработка методики выбора частиц из биологических жидкостей, которая находит применение в медицине, в частности, в области вспомогательных репродуктивных технологий. Данный способ базируется на методе детерминированного бокового смещения (DLD), который признается одним из наиболее многообещающих, универсальных и доступных инструментов для гидродинамической сортировки объектов с размерами от микро- до субмикрона.
Разделение, идентификация и концентрирование частиц, находящихся во взвешенном состоянии, имеют большое значение для множества областей, таких как биомедицинские исследования и клиническая диагностика. Метод детерминированного бокового смещения (DLD) представляется многообещающей технологией, поскольку позволяет непрерывно разделять частицы по размеру, форме, способности к деформации и электрическим характеристикам с высокой точностью. Благодаря высокой разрешающей способности и широкому диапазону разделения по размеру, DLD находит широкое применение для сортировки, концентрирования и выделения различных биологических частиц. В настоящее время метод DLD преимущественно используется для обнаружения циркулирующих опухолевых клеток в крови с целью ранней диагностики рака, а также для разделения лейкоцитов и эритроцитов при диагностике малярии, сортировки стволовых клеток, ДНК и других частиц.
В рамках 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, ведутся исследования, направленные на создание управляемых DLD-чипов, повышение эффективности метода DLD и его применение в репродуктивной медицине.
«Метод DLD уже внедрен в нашей лаборатории в виде чипа, содержащего массив столбиков диаметром до 50 микрометров. Это позволяет осуществлять сортировку объектов размером до 20 микрометров. Современные оптические методы диагностики потоков с микронным разрешением используются для изучения гидродинамики течения в этих устройствах, что направлено на увеличение их эффективности», — сообщил старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Владиславович Ковалев.
Микрофлюидный чип для дифференциальной лазерной дозиметрии (DLD) состоит из массива столбиков, которые расположены под углом, при этом каждый последующий ряд смещен по отношению к предыдущему. Такая конфигурация позволяет частицам различных размеров двигаться по разным путям: частицы, размер которых меньше критического значения, следуют по линиям тока, а частицы большего размера обычно перемещаются вдоль рядов столбиков, что обеспечивает разделение траекторий частиц, отличающихся по размеру.
«В данной конфигурации чип способен разделять широкий спектр частиц, в частности, на текущем этапе мы можем разделять опухолевые клетки и эритроциты. Среди достоинств DLD следует отметить простоту конструкции, высокую производительность и отсутствие активных компонентов, участвующих в управлении потоком, то есть без внешнего электрического или механического воздействия на сортируемый объект. Тем не менее, современные DLD-чипы обладают одним существенным ограничением: характерный диаметр частиц, подлежащих сортировке, жестко определяется геометрией чипа. Это подразумевает, что для изменения диапазона сортируемых частиц потребуется новый DLD-чип с измененными геометрическими параметрами. В ходе первого года реализации проекта был создан прототип настраиваемого DLD-устройства, обеспечивающего гибкую регулировку диапазона размеров разделяемых объектов», — подчеркнул руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории физических основ энергетических технологий ИТ СО РАН, кандидат физико-математических наук Максим Владимирович Шестаков.
Помимо разделения раковых клеток, разработка новосибирских ученых находит применение во вспомогательных репродуктивных технологиях. На движение сперматозоидов в репродуктивном тракте влияет несколько факторов: реотаксис – движение против потока, термотаксис – движение по температурному градиенту и хемотаксис – движение по градиенту химических веществ. Задача специалистов Института теоретической и прикладной биофизики СО РАН заключается в создании на микрочипе условий, максимально соответствующих естественным. Для этого необходимо обеспечить определенный химический состав массива столбцов в чипе и подобрать оптимальный температурный диапазон, что позволит значительно улучшить результаты процедур искусственного оплодотворения.
По заявлению руководителя проекта А.А. Ягодницыной, данный способ отбора сперматозоидов способен стать значимым инструментом в репродуктивной медицине и показать новые возможности и преимущества по сравнению с существующими технологиями: «В рамках нашей работы ключевым фактором является тесное взаимодействие с медицинскими специалистами. Мы намерены разработать микрофлюидный чип, имитирующий особенности среды репродуктивного тракта. Вместе с врачами-репродуктологами мы проведем сопоставление нашей технологии со стандартными методами. Точность отбора сперматозоидов в нашей системе позволит свести к минимуму влияние человеческого фактора на конечный результат, а также исключит механическое воздействие, которое может повредить отбираемым клеткам».
В докладе, представленном на XII Российском форуме биотехнологий OpenBio-2025, были освещены итоги проделанной работы.
Данная работа выполнялась при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) № 24-79-10291, посвященного созданию управляемых микрофлюидных систем для сортировки, применяемых в фармацевтической отрасли и вспомогательных репродуктивных технологиях».
Данный материал создан при содействии гранта, предоставленного Министерством науки и инноваций Российской Федерации, в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Кирилл Сергеевич