جداسازی گلبول قرمز از کانال جریان

قبل از انجام برخی از آنالیزهای نمونه خون، محققان باید ذرات گلبول قرمز را از پلاسمای خون جدا کنند. با استفاده از فناوری آزمایشگاه روی تراشه (LOC)، جداسازی گلبول های قرمز خون را می توان از طریق مگنتوفورز (یعنی حرکت القا شده توسط میدان های مغناطیسی) به دست آورد. از آنجایی که نفوذپذیری مغناطیسی ذرات با پلاسمای خون متفاوت است، مسیر حرکت آنها را می توان در کانال جریان دستگاه LOC کنترل کرد و سپس از مایع جدا کرد.

پلاسمای خون و گلبول های قرمز

خون کامل شامل گلبول های قرمز و سفید و همچنین پلاکت هایی است که در مایعی به نام پلاسمای خون معلق هستند . طبق گفته صلیب سرخ آمریکا، پلاسما 92 درصد آب است و 55 درصد حجم خون را تشکیل می دهد . نفوذپذیری پلاسمای خون برابر با 1 است.

گلبول های قرمز خون کمی کمتر از پلاسمای خون را تشکیل می دهند – حدود 45٪ از کل خون . همانطور که احتمالا قبلاً می دانید، این نوع سلول های خونی حاوی هموگلوبین هستند که به نوبه خود از آهن تشکیل شده است که به انتقال اکسیژن در سراسر بدن کمک می کند. نفوذ پذیری گلبول های قرمز کمی کمتر از 1 است (1 – 3.9e-6). یا به عبارتی، ذرات گلبول قرمز دیامغناطیس هستند .

جداسازی گلبول قرمز از طریق مگنتوفورز در LOCs

دستگاه‌های آزمایشگاه روی تراشه (LOC) دستگاه‌های میکروسیالی بسیار کوچک (محدوده‌ای در محدوده میلی‌متر سانتی‌متر) هستند که از کانال‌های جریان تشکیل شده‌اند که یک یا چند عملکرد آزمایشگاهی را روی یک تراشه واحد انجام می‌دهند. LOCها اغلب در پزشکی و تحقیقات برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های خون استفاده می‌شوند ، زیرا به دلیل کاهش خطر آلودگی نمونه‌ها به دلیل توانایی جمع‌آوری و مطالعه نمونه‌های بسیار کوچک امکان‌پذیر شده است.

با توجه به خواص مغناطیسی فوق الذکر، گلبول های قرمز ممکن است با استفاده از روش مغناطیسی از پلاسما جدا شوند. اگر بخواهیم کانال LOC را در معرض نیروی مغناطیسی قرار دهیم، می‌توانیم کنترل کنیم که گلبول‌های قرمز و پلاسما در داخل کانال‌ها کجا می‌روند. به عبارت دیگر، چون گلبول های قرمز دارای نفوذپذیری متفاوتی هستند، می توان آنها را از کانال جریان جدا کرد.

فرض کنید یک LOC حاوی پلاسمای خون (در این مورد، مایع پس‌زمینه در نظر گرفته می‌شود ) و ذرات گلبول قرمز در کانالی داریم که به سه شاخه یا خروجی تقسیم می‌شود (تصویر زیر را ببینید). نیروی کشش سیال پس زمینه، ذرات را در امتداد کانال جریان به جلو می راند. حال، فرض کنید در هر طرف کانال یک آهنربای دائمی داریم، به این ترتیب:

آزمایشگاه روی یک تراشه با دو آهنربای دائمی نئودیمیم و یک کانال جریان.
LOC: دو آهنربای دائمی نئودیمیم و یک کانال جریان با سه خروجی و مجموعه‌ای از تکه‌های آهنی نرم.

نیروی مگنتوفورتیک آهنرباها ذرات سلول خون را به سمت داخل هل می دهد. در ترکیب، نیروی پسا و نیروی مغناطیسی به طور همزمان ذرات را به سمت مرکز و از طریق کانال اصلی فشار می دهند و دو شاخه کانال را دور می زنند. در همین حال، پلاسمای خون که دارای نفوذپذیری 1 است، تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمی گیرد و به سادگی در جهت نیروی پسا حرکت می کند. این در نهایت منجر به جریان یک سوم پلاسما از طریق هر یک از کانال‌ها می‌شود، در حالی که تمام گلبول‌های قرمز خون در کانال مرکزی متمرکز شده‌اند – غلظت کافی برای مطالعه را برای ما فراهم می‌کند.

همکار من جان دانک یک شبیه‌سازی چندفیزیکی برای نشان دادن این مفهوم ایجاد کرد:
جداسازی گلبول های قرمز خون از طریق مگنتوفورز
جداسازی گلبول‌های قرمز: یک دستگاه LOC که روی کانال‌های جریان زوم می‌کند. ذرات گلبول قرمز در کانال مرکزی حرکت می کنند.

شبیه سازی فوق با نرم افزار COMSOL Multiphysics® همراه با ماژول های AC/DC، Microfluidics و Particle Tracing ایجاد شده است.

یادداشت سردبیر: بخش زیر در تاریخ 1395/09/06 به این پست وبلاگ اضافه شد تا تحقیقات شبیه سازی مرتبط را در بر گیرد.

نزدیک شدن به تشخیص غیرتهاجمی قبل از تولد با دستگاه LOC

گروهی از محققان دانشگاه پلی تکنیک تورین و دانشگاه هریوت وات با استفاده از روشی مشابه برای تشخیص پیش از تولد غیرتهاجمی (NIPD)، دستگاه LOC را برای جداسازی سلول های جنین از خون مادر طراحی کردند. از آنجایی که گلبول های قرمز هسته دار جنین دارای خواص مغناطیسی مشابه گلبول های قرمز خون بزرگسالان هستند، این دو نوع سلول را می توان از بقیه جدا کرد. سپس جداسازی دوم می‌تواند سلول‌های هسته‌دار و هسته‌دار را متمایز کند.

شبیه سازی که سرعت سیال را در یک دستگاه LOC نشان می دهد.
میدان سرعت سیال دستگاه LOC در جهت عمودی (جزء y). تصویر توسط Giuseppe Schiavone، Deirdre M. Kavanagh، و Marc PY Desmulliez و با اجازه از ارائه کنفرانس COMSOL آنها گرفته شده است .

برای تأیید طراحی خود، محققان از COMSOL Multiphysics برای ایجاد مدلی از دستگاه LOC استفاده کردند. با شبیه سازی توزیع میدان مغناطیسی و میدان سرعت سیال، آنها توانستند اندازه دستگاه را برای جداسازی کارآمد و قابل اطمینان سلول اندازه گیری کنند. سپس تیم از ردیابی ذرات برای محاسبه حرکت سلول های تزریق شده به میکرودستگاه استفاده کرد. این آنها را قادر می سازد تا طول جداسازی سلول مورد نیاز و به نوبه خود طول دستگاه LOC خود را تعیین کنند.