Hydrodynamic cell capture in microfluidic devices
Summala, Helinä (2023)
Summala, Helinä
2023
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304284873
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304284873
Tiivistelmä
In recent years, utilizing microfluidic devices in vitro cell interaction studies has gained popularity among biomedical engineering field. Potential of such devices in for instance cancer detection, modeling, drug screening and monitoring is remarkable and could provide even more effective and personalized treatment for those patients suffering from cancer. The need for single cell research is acknowledged since heterogeneity and gene expression differences among cells of same cell type which introduces bias to in vitro studies made with large cell populations. Microfluidic devices can offer platform for high throughput cell analysis, where complex sample preparation is not needed, and the cell capture and analysis can be done in single device. The devices would promote low cost and accessible tools to obtain individualized treatment also in resource limited regions while in the research world, would offer an efficient and ethical platform for instance drug testing. To gather information from single cells or cell clusters, cells must be captured to specific locations inside the device. The cell capture can be achieved by hydrodynamic- based methods that utilizes flow resistance, physical barriers, and surface tensions. Capturing cells can also be done by chemical surface treatment of structures or by using external force, such as ultrasound. However, in this work, only hydrodynamic methods are discussed.
This thesis discusses application possibilities of hydrodynamic cell capture focusing on detection, drug screening and prediction of treatment response in cancer cell studies. Hydrodynamic methods for single cell and cell cluster capture in microfluidic analysis devices are reviewed. Four different methods (micro post, microfiltration, microwell and chamber trapping) are discussed in terms of capture principles, fabrication processes and disadvantages. Lastly, challenges and future perspectives are addressed.
Previous studies showed that certain method is more suitable to some applications than others, depending on the needed culturing time and space and desired cell quantity specificity. Microwell capture was the most ideal for long-term culturing, while micro posts and chambers were more specific in number of cells per capture units. Microwells had the highest efficiency in cell cluster capture. When it comes to single cell capture efficiency, chambers and microfiltration performed best. The most significant advantages for hydrodynamic cell capture are easy fabrication processes, high cell viability and no requirement for complex sample preparation. Inconsistencies in cell quantity between capture sites and low capture efficiencies are the major challenges. In addition, if a specific number of cells is desired per the capture site, the possibilities for long-term culturing deteriorate, because the structure is too small for cell growth and division. Based on previous studies, it can therefore be stated that the best performing method cannot be determined, as the necessary properties vary greatly between applications and so far, none of the hydrodynamic methods mentioned can simultaneously provide all the properties while retaining high performance in all discussed areas. Viime vuosina mikrofluidilaitteiden hyödyntäminen in vitro soluvuorovaikutustutkimuksissa ovat saavuttaneet suosiota biolääketieteen tekniikan alalla. Tällaisten laitteiden potentiaali esimerkiksi syövän havaitsemisessa, mallintamisessa, lääkeseulonnassa ja seurannassa on huomattava ja voisi tarjota entistä tehokkaampaa ja yksilöllisempää hoitoa syöpää sairastaville potilaille. Yksisolututkimuksen tarve tunnustetaan, koska solujen heterogeenisyys ja geeniekspressioerot saman solutyypin sisällä aiheuttavat virhettä suurilla solupopulaatioilla tehtyihin in vitro -tutkimuksiin. Mikrofluidilaitteet voivat tarjota alustan korkean suorituskyvyn soluanalyysille, jossa ei tarvita monimutkaista näytteiden valmistelua, ja solujen pyydystäminen sekä analysointi voidaan tehdä samalla laitteella. Laitteet edistäisivät edullisia ja saatavilla olevia työkaluja yksilöllisen hoidon saamiseksi myös resurssirajoitteisilla alueilla samalla kun tutkimusmaailmassa ne tarjoaisivat tehokkaan ja eettisen alustan esimerkiksi lääketestaukseen. Tietojen keräämiseksi yksittäisistä soluista tai soluryhmistä solut on pyydystettävä tiettyihin paikkoihin laitteen sisällä. Solujen sieppaus voidaan saada aikaan hydrodynaamisilla menetelmillä, joissa hyödynnetään virtausvastusta, fyysisiä rakenteita ja pintajännitystä. Solujen pyydystäminen voidaan tehdä myös kemiallisella pintakäsittelyllä tai ulkoista voimaa, kuten ultraääntä hyödyntäen. Näitä menetelmiä ei kuitenkaan käsitellä tässä opinnäytetyössä.
Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan lyhyesti hydrodynaamisten solupyydystyslaitteiden sovellusmahdollisuuksia keskittyen syövän havaitsemiseen, lääkeseulontaan ja hoitovasteen ennustamiseen syöpäsolututkimuksissa. Työssä tarkastellaan ja vertaillaan hydrodynaamisia menetelmiä, joita on käytetty aikaisemmin tehdyissä tutkimuksissa yksittäisten solujen ja soluklustereiden pyydystämiseen. Yleiskatsaus on tärkeä, jotta saadaan käsitys siitä, mihin näitä tekniikoita on käytetty aiemmin ja miten haluttu tulos voidaan saavuttaa tulevaisuudessa. Neljää eri menetelmää (mikropylväät, mikrosuodatus, mikrokuopat ja kammioloukut) käsitellään pyydystysperiaatteiden, laitteiden valmistusprosessien ja haasteiden kannalta. Lopuksi käsitellään hydrodynaamisen solupyydystyksen tulevaisuuden näkymiä.
Aiemmat tutkimukset osoittivat, että tietty menetelmä sopii joihinkin sovelluksiin paremmin kuin toiset, riippuen soluviljelyyn tarvitusta ajasta, tilasta sekä solumääräspesifisyydestä. Mikrokuopan käyttö pyydystyksessä osoittautui ihanteelliseksi pitkäaikaiseen soluviljelyyn, kun taas mikropylväät ja -kammiot olivat tarkempia solujen lukumäärän suhteen sieppausyksikköä kohti. Mikrokuoppa menetelmä oli tehokkain soluklusterin sieppauksessa. Mikrokammiot ja mikrosuodatus olivat tehokkuuden kannalta ideaalit yksittäisten solujen sieppaukseen. Hydrodynaamisen solujen talteenoton merkittävimmät edut ovat helpot valmistusprosessit sekä korkea solujen elinkelpoisuus pyydystyksen jälkeen. Hydrodynaamiset menetelmät eivät myöskään vaadi monimutkaista solunäytteiden valmistelua. Suurimpia haasteita ovat puolestaan solumäärien epäjohdonmukaisuudet pyydystyspaikkojen välillä ja alhainen pyydystystehokkuus. Lisäksi mikään mainituista hydrodynaamisista menetelmistä ei toistaiseksi voi tarjota korkeaa suorituskykyä kaikilla osa-alueilla samanaikaisesti. Esimerkiksi, jos pyydystyskohtaan halutaan tarkka solumäärä, mahdollisuudet pitkäaikaiseen suoviljelyyn heikkenee, sillä rakenne on liian pieni solujen jakautumiselle. Aikaisempien tutkimusten pohjalta, voidaan siis todeta, että parhaiten suoriutuvaa menetelmää ei voida määrittää, sillä tarvittavat ominaisuudet vaihtelevat suuresti käyttötarkoitusten välillä.
This thesis discusses application possibilities of hydrodynamic cell capture focusing on detection, drug screening and prediction of treatment response in cancer cell studies. Hydrodynamic methods for single cell and cell cluster capture in microfluidic analysis devices are reviewed. Four different methods (micro post, microfiltration, microwell and chamber trapping) are discussed in terms of capture principles, fabrication processes and disadvantages. Lastly, challenges and future perspectives are addressed.
Previous studies showed that certain method is more suitable to some applications than others, depending on the needed culturing time and space and desired cell quantity specificity. Microwell capture was the most ideal for long-term culturing, while micro posts and chambers were more specific in number of cells per capture units. Microwells had the highest efficiency in cell cluster capture. When it comes to single cell capture efficiency, chambers and microfiltration performed best. The most significant advantages for hydrodynamic cell capture are easy fabrication processes, high cell viability and no requirement for complex sample preparation. Inconsistencies in cell quantity between capture sites and low capture efficiencies are the major challenges. In addition, if a specific number of cells is desired per the capture site, the possibilities for long-term culturing deteriorate, because the structure is too small for cell growth and division. Based on previous studies, it can therefore be stated that the best performing method cannot be determined, as the necessary properties vary greatly between applications and so far, none of the hydrodynamic methods mentioned can simultaneously provide all the properties while retaining high performance in all discussed areas.
Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan lyhyesti hydrodynaamisten solupyydystyslaitteiden sovellusmahdollisuuksia keskittyen syövän havaitsemiseen, lääkeseulontaan ja hoitovasteen ennustamiseen syöpäsolututkimuksissa. Työssä tarkastellaan ja vertaillaan hydrodynaamisia menetelmiä, joita on käytetty aikaisemmin tehdyissä tutkimuksissa yksittäisten solujen ja soluklustereiden pyydystämiseen. Yleiskatsaus on tärkeä, jotta saadaan käsitys siitä, mihin näitä tekniikoita on käytetty aiemmin ja miten haluttu tulos voidaan saavuttaa tulevaisuudessa. Neljää eri menetelmää (mikropylväät, mikrosuodatus, mikrokuopat ja kammioloukut) käsitellään pyydystysperiaatteiden, laitteiden valmistusprosessien ja haasteiden kannalta. Lopuksi käsitellään hydrodynaamisen solupyydystyksen tulevaisuuden näkymiä.
Aiemmat tutkimukset osoittivat, että tietty menetelmä sopii joihinkin sovelluksiin paremmin kuin toiset, riippuen soluviljelyyn tarvitusta ajasta, tilasta sekä solumääräspesifisyydestä. Mikrokuopan käyttö pyydystyksessä osoittautui ihanteelliseksi pitkäaikaiseen soluviljelyyn, kun taas mikropylväät ja -kammiot olivat tarkempia solujen lukumäärän suhteen sieppausyksikköä kohti. Mikrokuoppa menetelmä oli tehokkain soluklusterin sieppauksessa. Mikrokammiot ja mikrosuodatus olivat tehokkuuden kannalta ideaalit yksittäisten solujen sieppaukseen. Hydrodynaamisen solujen talteenoton merkittävimmät edut ovat helpot valmistusprosessit sekä korkea solujen elinkelpoisuus pyydystyksen jälkeen. Hydrodynaamiset menetelmät eivät myöskään vaadi monimutkaista solunäytteiden valmistelua. Suurimpia haasteita ovat puolestaan solumäärien epäjohdonmukaisuudet pyydystyspaikkojen välillä ja alhainen pyydystystehokkuus. Lisäksi mikään mainituista hydrodynaamisista menetelmistä ei toistaiseksi voi tarjota korkeaa suorituskykyä kaikilla osa-alueilla samanaikaisesti. Esimerkiksi, jos pyydystyskohtaan halutaan tarkka solumäärä, mahdollisuudet pitkäaikaiseen suoviljelyyn heikkenee, sillä rakenne on liian pieni solujen jakautumiselle. Aikaisempien tutkimusten pohjalta, voidaan siis todeta, että parhaiten suoriutuvaa menetelmää ei voida määrittää, sillä tarvittavat ominaisuudet vaihtelevat suuresti käyttötarkoitusten välillä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]