Exploring key factors in GrFFF for non-invasive prenatal diagnosis: an experimental and computational investigation

Introduction: About 3-5% of pregnancies are affected by fetal anomalies, thus providing parents with comprehensive information is crucial. Prenatal screening methods offer non-invasive assessments for fetal abnormalities, but in case of high risk, they must be confirmed by invasive diagnostic tests. The isolation of fetal erythroblasts in maternal blood offers a potential avenue for non-invasive prenatal diagnosis (NIPD). Among the modern technologies, Gravitational Field-Flow Fractionation (GrFFF) represents a relatively simple, cost-effective, tag-less, and biocompatible option, patented for the purpose of NIPD. This work was aimed to study the key factors to optimize it. Materials and methods: Experiments with polystyrene microbeads, with size and density comparable to cells, and cord blood cells were performed on different prototypes to study the effects of viscosity, device inlet, particle interactions, ionic strength, and electrostatic charges. The investigation was supported by a COMSOL fluid dynamics simulation and a MATLAB model replicating the device, called ‘cGiraFFF’. Results and discussion: The effect of viscosity changes due to temperature and addition of methylcellulose was quantified, highlighting size-dependent differences between cells and PS beads. The device inlet, the particle interactions, the carrier fluid ionic strength and the electrostatic charges were also observed to influence the results. The COMSOL simulation highlighted the absence of some terms in the conventional GrFFF theory. At last, the MATLAB model proved helpful in performing a Sensitivity Analysis, confirming the particle diameter as the most critical factor, predicting the experimental outcomes, quantifying any deviations from the standard theory, generating and testing hypotheses.

Introduzione: Circa il 3-5% delle gravidanze è affetto da anomalie fetali, motivo per cui è fondamentale fornire ai genitori delle informazioni complete. I metodi di screening prenatale offrono valutazioni non invasive delle anomalie fetali, ma in caso di rischio elevato devono essere confermate da dei test diagnostici invasivi. L'isolamento degli eritroblasti fetali nel sangue materno rappresenta una potenziale opzione per la diagnosi prenatale non invasiva (NIPD). Tra le moderne tecnologie, il frazionamento in campo flusso gravitazionale (GrFFF) rappresenta un'alternativa relativamente semplice, economica, libera dall'uso di anticorpi e biocompatibile che è stata brevettata per essere utilizzata in NIPD. Lo scopo del presente lavoro è stato quello di studiare i fattori chiave per ottimizzarla. Materiali e metodi: Sono stati eseguiti degli esperimenti con microsfere in polistirene, con dimensione e densità paragonabili a quelle cellulari, e cellule del sangue cordonale su diversi prototipi per studiare gli effetti della viscosità, dell'inlet del dispositivo, delle interazioni tra le particelle, della forza ionica e delle cariche elettrostatiche. L'indagine è stata supportata da una simulazione fluidodinamica COMSOL e da un modello MATLAB che replica il dispositivo, chiamato 'cGiraFFF'. Risultati e discussione: È stato quantificato l’effetto delle variazioni di viscosità dovute alla temperatura e all’aggiunta di metilcellulosa, evidenziando differenze, dipendenti dalle dimensioni, tra le cellule e le microsfere in polistirene. Si è osservato che anche l'inlet del dispositivo, le interazioni tra le particelle, la forza ionica del fluido di trasporto e le cariche elettrostatiche influiscono sui risultati. La simulazione COMSOL ha evidenziato l'assenza di alcuni termini nella teoria GrFFF convenzionale. Infine, il modello MATLAB si è rivelato utile per eseguire un'Analisi di Sensitività, confermando che il diametro delle particelle sia il fattore più critico, e per prevedere i risultati sperimentali, quantificare eventuali deviazioni dalla teoria standard, generare e testare ipotesi.