Neues Verfahren: Zellen leichter nach Größe sortieren

Die größenbasierten Sortierung von Zellen ist Teil vieler Diagnoseverfahren. Japanische Wissenschaftler haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich Zellen präzise nach ihrem Durchmesser sortieren lassen – ohne Labeling.

Die Isolierung bestimmter Zellarten aus dem umgebenden Gewebe ist ein entscheidender Schritt in vielen medizinischen Diagnoseverfahren. Der Nachweis von Krebszellen im Blut kann beispielsweise ein Hinweis auf Metastasierung sein.

Größenbasierte Zellsortierverfahren wie die deterministische laterale Verschiebung (DLD) haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Sie erreichen nicht nur einen hohen Durchsatz, sondern erhalten auch die Stoffwechselaktivität der isolierten Zellen. Ein Forschungsteam des Institute of Science Tokyo (Japan) hat nun ein neues DLD-Verfahren entwickelt, dass die gezielte Isolierung von Krebszellen aus Blutproben anhand ihrer Größe vereinfachen könnte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Lab on a Chip“ veröffentlicht.

Mikrosäulen ändern temperaturabhängig den Durchmesser

Generell nutzt DLD Arrays präzise angeordneter Mikrosäulen. Zellen mit einem Durchmesser unterhalb eines bestimmten kritischen Durchmessers (D_c) werden auf eine Seite des Arrays geleitet. Zellen mit einem Durchmesser größer als D_c hingegen auf die gegenüberliegende Seite. Ein klassisches DLD-Gerät kann Zellen jedoch nur anhand eines spezifischen D_c-Werts sortieren, was seine Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Zudem besteht die Gefahr von Verschmutzung und Verstopfung: Bislang fehlt eine effektive Methode, mit der Objekte eines größeren Durchmessers, die sich im Array verfangen, entfernt werden können.

Die Forschenden präsentieren in der Fachzeitschrit “Lab on a Chip” ein einstellbares DLD-Gerät mit Mikrosäulen aus Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM)-Hydrogel. PNIPAM ändert seine Größe präzise zwischen 20 und 40 °C und eignet sich daher hervorragend für eine DLD mit variablem D_c.

„In unserer vorherigen Arbeit haben wir ein thermoresponsives DLD-Array auf einem Glassubstrat demonstriert, das aus Hydrogel-Mikrosäulen aus PNIPAM in einem Polydimethylsiloxan (PDMS)-Mikrokanal besteht“, erklärt Studienleiter Takasi Nisisako.

Er fügt hinzu: „Der PNIPAM-basierte Ansatz benötigt keine komplexe externe Felderzeugungsanlage, bietet einen einfacheren Herstellungsprozess und ermöglicht die größenbasierte Trennung durch direkte, temperaturabhängige Modulation der Säulendimensionen.“

Präzision mit vielfältigem Anwendungspotenzial

Die neueste Version des DLD-Geräts besteht aus einer Siliziumbasis auf einem Peltier-Element. PDMS-Mikrokanäle, die mittels Plasma-Bonding mit dem Silizium verbunden sind, transportieren die flüssige Probe und die Sheath Fluid zum PNIPAM-Mikroarray. Zwei Ausgänge – L und S – am anderen Ende des Arrays ermöglichen die Trennung sortierter Zellen vom Rest der Probe.

„Die Verwendung von Silizium, das aufgrund seiner überlegenen Wärmeleitfähigkeit gewählt wurde, ermöglichte eine präzisere Kontrolle des D_c“, erklärt Nisisako. „Das Plasma-Bonding des PDMS-Kanals mit dem Siliziumsubstrat ermöglicht einen stabilen Betrieb mit Überdruck über einen weiten Bereich von Durchflussraten. Durch den Einsatz eines neuen PNIPAM-basierten Fotolacks mit höherer Polymerkonzentration konnten wir außerdem Mikrosäulen mit einer Höhe von bis zu 30 μm herstellen, die sich für die Verarbeitung verschiedenster biologischer Partikel eignen.“

Demonstration an Blutproben mit Krebszellen

Das Team verifizierte die Einstellbarkeit seines Geräts anhand von Blutproben, die mit MCF-7-Brust-Adenokarzinomzellen versetzt waren. Mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 17 μm sind MCF-7-Zellen deutlich größer als Blutzellen. Das Team leitete die Probe bei 25 °C (D_c = 14,1 μm) durch das Array und erreichte eine Sortiereffizienz von 90 Prozent für MCF-7-Zellen am Ausgang L. Bei 26 °C (D_c = 18,5 μm) befanden sich in beiden Ausgängen ähnliche Anzahlen von MCF-7-Zellen, wobei die Zellen am Ausgang L durchgehend größer waren als die am Ausgang S. Bei 37 °C (D_c = 29 μm) befanden sich alle MCF-7-Zellen am Ausgang S.

Nach der erfolgreichen Validierung ihres einstellbaren DLD-Geräts plant Nisisako nun, dessen Leistungsfähigkeit mit realen biologischen Proben von Patienten zu überprüfen. „Die Präzision, Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit dieser Plattform unterstreichen ihr Potenzial für die hochauflösende, größenbasierte Sortierung und machen sie zu einem vielversprechenden Werkzeug für eine breite Palette biomedizinischer Anwendungen“, bilanziert der Wissenschaftler abschließend.

(mkl/BIERMANN)

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