Ein neues abstimmbares Gerät zur Zellsortierung mit potenziellen biomedizinischen Anwendungen
Präzise, markierungsfreie Sortierung von Zellen unterschiedlicher Größe durch ein temperaturempfindliches PNIPAM-Hydrogel-Array möglich
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Poly(N-Isopropylacrylamid)-Hydrogel (PNIPAM) verändert seine Größe zwischen 20 und 40 °C erheblich, aber präzise, und ist damit ein hervorragender Kandidat für den Einsatz in deterministischen Lateral Displacement (DLD)-Anordnungen mit variabler Größe. Forscher von Science Tokyo haben eine abstimmbare DLD-Plattform zur Zellsortierung gebaut und ihre Fähigkeit zur Sortierung von Krebszellen bestimmter Größe aus Blutproben nachgewiesen. Diese Plattform könnte eine hochauflösende, größenbasierte Zellsortierung für eine Vielzahl von biomedizinischen Anwendungen ermöglichen.
Abstimmbare Zellseparationsvorrichtung ändert Selektivität in Abhängigkeit von der Temperatur
Die Isolierung bestimmter Arten von Zellen aus dem sie umgebenden Gewebe ist ein entscheidender Schritt in vielen medizinischen Diagnoseverfahren. So ist beispielsweise der Nachweis von Krebszellen im Blut notwendig, um festzustellen, ob der Krebs Metastasen gebildet hat. Größenbasierte Zellsortierungstechniken wie die deterministische laterale Verdrängung (DLD) sind in den letzten Jahren dank ihres hohen Durchsatzes und der Erhaltung der Stoffwechselaktivität in den isolierten Zellen immer beliebter geworden.
DLD verwendet Anordnungen von präzise angeordneten Mikropillaren. Zellen, die kleiner als ein bestimmter kritischer Durchmesser ( D c ) sind, werden auf eine Seite des Arrays umgeleitet, während Zellen, die größer als D c sind, auf die gegenüberliegende Seite umgeleitet werden. Dies bedeutet jedoch, dass ein typisches DLD-Gerät Zellen nur auf der Grundlage eines bestimmten D c sortieren kann, was seinen Nutzen einschränkt. Dies bedeutet auch, dass DLD-Geräte der Gefahr von Verschmutzung und Verstopfung ausgesetzt sind, da es keine wirksame Möglichkeit gibt, Objekte mit großem Durchmesser, die sich in der Anordnung verfangen, zu entfernen.
Ein Forscherteam des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, hat ein abstimmbares DLD-Gerät unter Verwendung von Poly( N -Isopropylacrylamid) (PNIPAM)-Hydrogel-Mikropillaren entwickelt. Dieses Projekt wurde von Associate Professor Takasi Nisisako und Assistant Professor Yusuke Kanno vom Institute of Integrated Research, Science Tokyo, zusammen mit dem Doktoranden Ze Jiang von der Abteilung für Maschinenbau, School of Engineering, Science Tokyo, Japan, geleitet. Ihre Arbeit wurde am 3. September 2025 in der Zeitschrift Lab on a Chip veröffentlicht.
PNIPAM unterliegt zwischen 20 und 40 °C präzisen Größenänderungen, was es zu einem hervorragenden Kandidaten für ein DLD mit variablem D c macht. "In unserer früheren Arbeit haben wir ein thermoreagierendes DLD-Array auf einem Glassubstrat demonstriert, bei dem Hydrogel-Mikrosäulen aus PNIPAM in einem Poly(dimethylsiloxan) (PDMS)-Mikrokanal verwendet wurden", sagt Nisisako und fügt hinzu: "Der auf PNIPAM basierende Ansatz erfordert keine komplexe externe felderzeugende Ausrüstung, bietet einen einfacheren Herstellungsprozess und erleichtert eine größenbasierte Trennung durch direkte temperaturgesteuerte Modulation der Säulenabmessungen."
Die neueste Version der DLD-Vorrichtung des Teams besteht aus einer Siliziumbasis auf einem Peltier-Element. PDMS-Mikrokanäle, die mit dem Silizium plasmabeschichtet sind, führen die flüssige Probe und die Mantelflüssigkeit zum PNIPAM-Mikroarray. Zwei Ausgänge - L und S - am anderen Ende des Arrays ermöglichen die Trennung der sortierten Zellen vom Rest der Probe. "Die Verwendung von Silizium, das wegen seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit ausgewählt wurde, ermöglichte eine präzisere D c -Kontrolle", zählt Nisisako die Verbesserungen in dieser Version auf. Er fügt hinzu: "Die Plasmabindung des PDMS-Kanals an das Siliziumsubstrat ermöglichte einen stabilen Überdruckbetrieb über eine Reihe von Flussraten. Durch die Verwendung eines neuen Fotolacks auf PNIPAM-Basis mit höherer Polymerkonzentration konnten wir außerdem Mikrosäulen mit einer Höhe von bis zu 30 μm herstellen, die für die Verarbeitung verschiedener biologischer Partikel geeignet sind."
Das Team überprüfte die Abstimmbarkeit seines Geräts anhand von Blutproben, die mit Adenokarzinomzellen der Michigan Cancer Foundation-7 (MCF-7) angereichert waren. Mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 17 μm sind MCF-7-Zellen deutlich größer als Blutzellen. Das Team ließ die Probe bei 25 °C ( D c = 14,1 μm) durch das Array laufen und erreichte eine Sortiereffizienz von 90 % der MCF-7-Zellen im Ausgang L. Bei 26 °C ( D c = 18,5 μm) wurde in beiden Ausgängen eine ähnliche Anzahl von MCF-7-Zellen festgestellt, aber die Zellen im Ausgang L waren durchweg größer als die im Ausgang S. Bei 37 °C ( D c = 29 μm) befanden sich alle MCF-7-Zellen am Auslass S.
Gestärkt durch die erfolgreiche Validierung ihres abstimmbaren DLD-Geräts will Nisisako dessen Leistung bei der Verwendung mit tatsächlichen biologischen Proben von Patienten überprüfen. "Die Präzision, Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit dieser Plattform unterstreichen ihr Potenzial für die hochauflösende Größensortierung und machen sie zu einem vielversprechenden Werkzeug für eine breite Palette biomedizinischer Anwendungen", fügt er hinzu und weist auf spannende neue Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie hin.
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