The application of microfluidic devices and multifunctional fibers in cancer diagnostics

QC 2022-03-01

Abstract

Separationen och detektionen av specifika celler i en blandad population av celler är viktig i många biomedicinska tillämpningar. Som exempel, möjligheten att isolera och detektera cirkulerande tumörceller (CTC) från helblod skulle kunna tillåta tidig cancer diagnos och prognos under behandling. CTC är sällsynta celler som cirkulerar i blodet och bär med sig viktig information, som den specifika cancerns ursprung och metastatiska information. Att kunna detektera CTC med hjälp av blodprover, förutom att erbjuda en minimalt invasiv metod, skulle kunna vara viktig i fall där tumörområdet är svårtillgänglig för traditionell provtagning via biopsier, såsom kolon- och bukspottkörtel-cancer.

Mikrofluidik är ett forskningsfält med betydande potential att möjliggöra utvecklingen av metoder för att isolera och separera celler för kliniska tillämpningar. Separation av celler baserad på mikrofluidik har demonstrerats med olika angreppssätt så som biologiska med hjälp av affinitetsmarkörer, och biofysiska metoder där man utnyttjar storlek, form, och deformerbarhet för att separera celler. Denna avhandling fokuserar på att utveckla en passiv strategi som utnyttjar tröghets-baserade mikrofluidik som domineras av tröghetskrafter (papper 1-4) och strategier med affinitetsbiomarkörer (paper 5) med målet att isolera och analysera CTC. Tröghetsfokusering i mikroflöden baseras på hydrodynamiska krafter, tröghetskrafter, som utvecklas i vätskeflöden i mikrokanaler. Beroende på mikrokanalens geometriska utformning och vätskans flödes hastighet kommer tröghetskrafterna att driva partiklar eller celler till specifika positioner i strömningsfältet och i sin tur möjliggöra fokusering och separation. Å andra sidan, affinitetsbaserad isolering är beroende på biomarkörer som uttrycks på ytan av specifika celler och är därmed mycket specifik. I papper 1 utnyttjas mikrofluidisk metod med tröghetskrafter med elastiska bidrag för att möjliggöra partikel fokusering och separation vid höga volymsflöden. I papper 2, en detaljerad analys av partikelfokusering i en circulärt tvärsnitt genomfördes experimentellt och numeriskt. I papper 3, en portabel mikroflödescytometer utvecklades med hjälp av fiberoptiska kapillärer. Med hjälp av mikrofluidik som utnyttjar elastiska och tröghetskrafter tillsammans med optiska fibrer, fokuserades partiklar och celler och demonstrerade möjligheten att räkna partiklar och celler. I papper 4 beskrivs en fiber-baserad komponent för separation och detektion som demonstrerade en separationseffektivitet av 100% för 10 µm-partiklar och 97% för 1 µm-partiklar som ett bevis på principen. I papper 5, en affinitetsbaserad separationsmetod utvecklades för att utnyttja ytmarkörer som finns på cirkulerande tumörceller. En beläggningsstrategi med hjälp av nanocellulosa utvecklades för att först fånga in och och sedan frigöra levande CTC för vidare analys. Den nya nanocellulosa-baserade ytbeläggningen fångar och frigör celler med hjälp av en enzym för analys nedströms. Sammanfattningsvis, denna avhandling presenterar mikrofluidik-baserad separation av cancerceller som utnyttjar biofysiska och biokemiska egenskaper. Med hjälp av tröghetsfokusering i mikrofluidik utvecklades flera metoder för att separera och detektera celler och partiklar. Dessutom utvecklades en original metod som bygger på att ytbehandla chip med nanocellulosa för infångning och frigörande av CTCs. I avhandlingen har vi undersökt olika metoder för isolering and analys av cancer celler. Medan varje metod har sin fördel och svaga punkter, kommer det att vara viktigt att kombinera dessa metoder och andra för att bidra till bätter cancer diagnostik i framtiden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-309350