DE102022203848A1 - Method and apparatus for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device and microfluidic device - Google Patents
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- C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
- C12M47/02—Separating microorganisms from the culture medium; Concentration of biomass
Abstract
Der hier vorgestellte Ansatz betrifft ein Verfahren zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung (100). Das Verfahren umfasst dazu einen Schritt des Ausgeben eines Aufbringsignals, das ein Aufbringen einer Probenflüssigkeit mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle auf ein Trägersubstrat (105) der mikrofluidischen Vorrichtung (100) bewirkt, und einen Schritt des Bereitstellens eines Stromsignals an eine Schnittstelle zu der zumindest einen Elektrode, um an oder in einer Mikrokavität (110) des Trägersubstrats (105) ein elektrisches Feld zu erzeugen, das ausgebildet ist, um die zumindest eine kernhaltige Zelle als Zielzelle in der Mikrokavität (110) zu fangen.The approach presented here relates to a method for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device (100). For this purpose, the method comprises a step of outputting an application signal, which causes a sample liquid with the at least one nucleated cell to be applied to a carrier substrate (105) of the microfluidic device (100), and a step of providing a current signal to an interface to the at least one Electrode to generate an electric field on or in a microcavity (110) of the carrier substrate (105), which is designed to capture the at least one nucleated cell as a target cell in the microcavity (110).
Description
Stand der TechnikState of the art
Der Ansatz geht von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung sowie von einer mikrofluidischen Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand des vorliegenden Ansatzes ist auch ein Computerprogramm.The approach is based on a method and a device for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device and a microfluidic device according to the species of the independent claims. The subject of the present approach is also a computer program.
Zirkulierende Tumorzellen (Circulating Tumor Cells, CTCs) haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende und klinisch relevante Biomarker im Umgang mit fortgeschrittenen bösartigen Tumoren etabliert. Deren Identifizierung und Charakterisierung in geeigneten Körperflüssigkeiten, wie beispielsweise Blut oder Lymphflüssigkeit, ist bekannt als Liquid Biopsy - einer der Forschungsschwerpunkte der modernen Onkologie.Circulating tumor cells (CTCs) have emerged as promising and clinically relevant biomarkers in the management of advanced malignant tumors in recent years. Their identification and characterization in suitable body fluids, such as blood or lymph fluid, is known as liquid biopsy - one of the main research areas of modern oncology.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein verbessertes Verfahren zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung, weiterhin eine verbesserte Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm und eine verbesserte mikrofluidische Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, an improved method for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device, an improved device using this method, and finally a corresponding computer program and an improved microfluidic device according to main claims presented. Advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim are possible as a result of the measures listed in the dependent claims.
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine kostengünstige mikrofluidische Vorrichtung, bzw. eine effiziente und automatisierte mikrofluidische Analyse, unter Verwendung einer Einmalkartusche ermöglicht.The approach presented here enables a cost-effective microfluidic device, or an efficient and automated microfluidic analysis, using a disposable cartridge.
Es wird ein Verfahren zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Ausgebens und einen Schritt des Bereitstellens umfasst. Im Schritt des Ausgebens wird ein Aufbringsignal ausgegeben, das ein Aufbringen einer Probenflüssigkeit mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle auf ein Trägersubstrat der mikrofluidischen Vorrichtung bewirkt. Im Schritt des Bereitstellens wird ein Stromsignal an eine Schnittstelle zu der zumindest einen Elektrode bereitgestellt, um an oder in einer Mikrokavität des Trägersubstrats ein elektrisches Feld zu erzeugen, das ausgebildet ist, um die zumindest eine kernhaltige Zelle als Zielzelle in der Mikrokavität zu fangen.A method for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device is presented, the method comprising a dispensing step and a providing step. In the output step, an application signal is output, which causes a sample liquid with the at least one nucleated cell to be applied to a carrier substrate of the microfluidic device. In the providing step, a current signal is provided at an interface to the at least one electrode in order to generate an electric field on or in a microcavity of the carrier substrate, which is designed to capture the at least one nucleated cell as a target cell in the microcavity.
Das Verfahren kann beispielsweise in der mikrofluidischen Vorrichtung als Lab-on-Chip-Kartusche durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann das Verfahren automatisiert durchgeführt werden. Als kernhaltige Zellen werden Zellen bezeichnet, die einen Zellkern aufweisen, welcher das Erbgut enthält. Die kernhaltige Zelle kann beispielsweise eine Tumorzelle oder beispielsweise ein Leukozyt sein. Die Probenflüssigkeit kann dem entsprechend beispielsweise eine Blutprobe eines Patienten sein. Das Trägersubstrat kann beispielsweise auf PCB-Basis sein, also auf einer Leiterplatte angeordnet sein, und/oder beispielsweise ein Siliziummaterial enthalten. Die Mikrokavitäten können beispielsweise wabenförmig, rund oder beispielsweise eckig auf oder in dem Trägersubstrat angeordnet sein. Die Mikrokavitäten können beispielsweise ausgeformt sein, um die Probenflüssigkeit mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle aufnehmen und fangen zu können, um diese vorteilhafterweise hinterher analysieren zu können.The method can be carried out, for example, in the microfluidic device as a lab-on-chip cartridge. The method can advantageously be carried out automatically. Nucleated cells are cells that have a cell nucleus that contains the genetic material. The nucleated cell can be, for example, a tumor cell or, for example, a leukocyte. Accordingly, the sample liquid can be a blood sample from a patient, for example. The carrier substrate can be based on a PCB, for example, that is to say it can be arranged on a printed circuit board, and/or contain a silicon material, for example. The microcavities can, for example, be arranged in a honeycomb, round or, for example, angular manner on or in the carrier substrate. The microcavities can be shaped, for example, in order to be able to receive and catch the sample liquid with the at least one nucleated cell in order to be able to advantageously analyze it afterwards.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Änderns einer Stromstärke vor oder nach dem Schritt des Ausgebens umfassen, um das elektrische Feld zu verändern, insbesondere zu stärken oder zu schwächen. Insbesondere wird das elektrische Feld zwischen der Elektrode und einer der Elektrode in oder an der Mikrokavität gegenüberliegenden Gegenelektrode aufgebaut und/oder variiert. Das elektrische Feld kann vorteilhafterweise einen Dielektrophorese-Käfig erzeugen, der vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Stromstärke geöffnet, geschlossen oder abgeschaltet werden kann. Der „DEP-Käfig“ (geöffnet, geschlossen und abgeschaltet) ist dabei ein Aspekt von zwei möglichen Aspekten und sehr hilfreich zum Einfang von Zellen. Um Zellen, ausgehend von Positionen in Mikrokavitäten, sortieren zu können, kann ein weiterer Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes eingesetzt werden. Abhängig von der Ansteuerung der Elektroden in der Mikrokavität, kann auch ein „DEP-Levitator“ entstehen, mit dem Zellen selektiv elektrisch aus den Kavitäten herausgestoßen werden können. Dieser besitzt eine andere Verteilung der elektrischen Feldstärke, als ein DEP-Käfig.According to one embodiment, the method can include a step of changing a current intensity before or after the outputting step in order to change, in particular to strengthen or weaken, the electric field. In particular, the electric field is built up and/or varied between the electrode and a counter-electrode lying opposite the electrode in or on the microcavity. The electric field can advantageously create a dielectrophoresis cage, which advantageously can be opened, closed or switched off depending on the current intensity. The "DEP cage" (opened, closed and shut down) is one aspect of two possible aspects and is very useful for capturing cells. Another aspect of the approach presented here can be used to sort cells based on positions in microcavities. Depending on the activation of the electrodes in the microcavity, a "DEP levitator" can also be created with which cells can be selectively ejected electrically from the cavities. This has a different distribution of the electric field strength than a DEP cage.
Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem im Schritt des Bereitstellens das Stromsignal an die Schnittstelle zu der zumindest einen Elektrode und zu zumindest einer anderen, in einer benachbarten Mikrokavität angeordneten Elektrode ausgegeben wird, sodass an der zumindest einen anderen Elektrode ein anderes elektrisches Feld erzeugt wird, als an der Elektrode, insbesondere wobei sich das an der elektrischen Elektrode erzeugte Feld in Bezug auf eine Richtung und/oder Intensität von dem elektrischen Feld unterscheidet, das an der anderen Elektrode erzeugt wurde und/oder wobei das andere elektrische Feld an der anderen Elektrode erzeugt wird, die in einer Mikrokavität angeordnet ist, die sich in einer gemeinsamen Spalte oder einer gemeinsamen Zeile bezüglich der Mikrokavität mit der Elektrode angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, ein Übersprechen eines elektrischen Signals, das durch ein elektrisches Feld an einer Elektrode einer ersten Mikrokavität bewirkt wird, in eine zweite, benachbarte Mikrokavität zu verhindern oder zumindest abzuschwächen. Auf diese Weise kann effizient verhindert werden, dass beispielsweise an Elektroden von Mikrokavitäten, die in einer gemeinsamen Zeile oder einer gemeinsamen Spalte einer Matrix-förmigen Struktur angeordnet sind, sehr ähnliche oder gleiche Potenziale auftreten und so ein für jede Mikrokavität separat ausgebildeter Käfig realisiert werden kann. Auf diese Weise kann eine verbesserte Trennung bzw. ein verbesserter Einschluss der in der jeweiligen Mikrokavität gefangenen Zelle umgesetzt werden.An embodiment of the approach presented here is also favorable in which, in the step of providing, the current signal is output at the interface to the at least one electrode and to at least one other electrode arranged in an adjacent microcavity, so that a different electrode is applied to the at least one other electrode electric field is generated than at the electrode, in particular where the at the electric electrode generated field differs in terms of a direction and / or intensity from the electric field that was generated at the other electrode and / or wherein the other electric field is generated at the other electrode, which is arranged in a microcavity, which is arranged in a common column or a common row with respect to the microcavity with the electrode. Such an embodiment of the approach proposed here offers the advantage of preventing or at least reducing crosstalk of an electrical signal, which is caused by an electrical field at an electrode of a first microcavity, into a second, adjacent microcavity. In this way it is possible to efficiently prevent, for example, very similar or identical potentials from occurring on electrodes of microcavities which are arranged in a common row or a common column of a matrix-shaped structure, so that a cage formed separately for each microcavity can be implemented . In this way, improved separation or improved inclusion of the cell trapped in the respective microcavity can be implemented.
Das Verfahren kann einen Schritt des Waschens der Probenflüssigkeit unter Verwendung eines Waschpuffers nach dem Schritt des Bereitstellens umfassen, um eine Suspension der Probenflüssigkeit aus der Mikrokavität und dem darüber liegenden Volumen der mikrofluidischen Kammer herauszuwaschen. Der Waschpuffer kann vorteilhafterweise als ein Fluid realisiert sein, der die Suspension reinigt, die kernhaltige Zelle jedoch nicht beschädigt. Durch den Schritt des Waschens kann vorteilhafterweise eine Transparenz der Probenflüssigkeit verbessert werden, sodass beispielsweise eine nachfolgende Analyse einfacher durchzuführen sein kann. Der Waschschritt sollte sanft genug erfolgen, um die eingefangene(n) kernhaltige(n) Zelle(n) nicht aus ihrer Fangpositionen herauszuspülen.The method can comprise a step of washing the sample liquid using a washing buffer after the providing step in order to wash out a suspension of the sample liquid from the microcavity and the volume of the microfluidic chamber above it. The wash buffer may advantageously be implemented as a fluid which cleans the suspension but does not damage the nucleated cell. The washing step can advantageously improve the transparency of the sample liquid so that, for example, a subsequent analysis can be carried out more easily. The washing step should be gentle enough not to flush the captured nucleated cell(s) out of their capturing positions.
Gemäß einer Ausführungsform kann im oder nach Schritt des Bereitstellens ein Freigabesignal nach dem Fangen der kernhaltigen Zelle an die Elektrode bereitgestellt werden, um eine weitere kernhaltige Zelle aus der Probenflüssigkeit als Nicht-Zielzelle aus dem elektrischen Feld freizugeben. Vorteilhafterweise kann das Freigabesignal eine Freigabespannung auslösen, die das Öffnen des elektrischen Feldes bewirkt. Dadurch kann vorteilhafterweise die kernhaltige Zelle von der weiteren kernhaltigen Zelle isoliert werden.According to one embodiment, in or after the providing step, a release signal can be provided to the electrode after the nucleated cell has been captured in order to release a further nucleated cell from the sample liquid as a non-target cell from the electric field. Advantageously, the enable signal can trigger an enable voltage that causes the electric field to open. This advantageously allows the nucleated cell to be isolated from the other nucleated cell.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens das Aufbringsignal ausgegeben werden, das ein Aufbringen eines Lysats auf das Trägersubstrat bewirkt, um ein Zellsediment mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle und eine Zellsuspension eines Lysats zu erhalten. Vorteilhafterweise kann das Aufbringsignal an eine Schnittstelle zu einer Pumpeinrichtung ausgegeben werden, sodass die Pumpeinrichtung das Lysat durch die mikrofluidische Vorrichtung pumpen kann.According to one embodiment, the application signal can be output in the output step, which causes a lysate to be applied to the carrier substrate in order to obtain a cell sediment with the at least one nucleated cell and a cell suspension of a lysate. The application signal can advantageously be output to an interface to a pump device, so that the pump device can pump the lysate through the microfluidic device.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Identifizierens der kernhaltigen Zellen aus der Probenflüssigkeit nach dem Schritt des Bereitstellens umfassen. Insbesondere können dabei im Schritt des Identifizierens die kernhaltigen Zellen aus dem Zellsediment optisch detektiert und zusätzlich oder alternativ quantifiziert werden. Vorteilhafterweise kann die Probenflüssigkeit im oder vor dem Schritt des Identifizierens lysiert und anschließend analysiert werden, um zu erkennen, ob beispielsweise Tumorzellen in dem Lysat enthalten sind. Dabei kann auch im Schritt des Identifizierens das Lysieren als Vorschritt zu Beginn des Ablaufs ausgeführt werden.Furthermore, the method can comprise a step of identifying the nucleated cells from the sample liquid after the providing step. In particular, in the identification step, the nucleated cells can be optically detected from the cell sediment and additionally or alternatively quantified. Advantageously, the sample liquid can be lysed in or before the identification step and then analyzed in order to detect whether the lysate contains tumor cells, for example. The lysing can also be carried out as a preliminary step at the beginning of the process in the identification step.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Bereitstellens die kernhaltige Zelle oder zumindest eine weitere kernhaltige Zelle in einer Einfangebene der Mikrokavität gefangen werden und/oder wobei durch das Freigabesignal die Zelle oder zumindest eine weitere kernhaltige Zelle aus der Probenflüssigkeit aus dem elektrischen Feld in eine Transportebene freigegeben wird. Auf diese Weise kann ein sehr effizientes Einfangen und ein nachfolgendes Transportieren der jeweils betreffenden Zelltypen realisiert werden.According to a further embodiment, in the step of providing, the nucleated cell or at least one other nucleated cell can be trapped in a capture plane of the microcavity and/or the cell or at least one other nucleated cell can be released from the sample liquid from the electric field into a transport level is released. In this way, a very efficient capture and subsequent transport of the relevant cell types can be realized.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung, wobei das Verfahren einen Schritt des Aufbringens einer Probenflüssigkeit mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle auf ein Trägersubstrat der mikrofluidischen Vorrichtung aufweist. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Erzeugens eines elektrischen Felds an oder in einer Mikrokavität des Trägersubstrats mit der zumindest einen Elektrode, das ausgebildet ist, um die zumindest eine kernhaltige Zelle als Zielzelle in der Mikrokavität zu fangen. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.An embodiment of the approach presented here is also advantageous as a method for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device, the method having a step of applying a sample liquid with the at least one nucleated cell to a carrier substrate of the microfluidic device . Furthermore, the method comprises a step of generating an electric field on or in a microcavity of the carrier substrate with the at least one electrode, which is designed to capture the at least one nucleated cell as a target cell in the microcavity. This results in the advantages already mentioned above.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Verfahren einen Schritt des Änderns einer Stromstärke umfasst, um das elektrische Feld zu verändern, insbesondere zu stärken oder zu schwächen nach dem Schritt des Aufbringens der Probenflüssigkeit auf ein Trägersubstrat der mikrofluidischen Vorrichtung, oder vor oder nach dem Schritt des Erzeugens des elektrischen Felds. Hierbei wird das elektrische Feld beispielsweise zwischen der Elektrode und einer der Elektrode in oder an der Mikrokavität gegenüberliegenden Gegenelektrode aufgebaut und/oder variiert. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.It is advantageous here if the method includes a step of changing a current intensity in order to change the electric field, in particular to strengthen or weaken it after the step of applying the sample liquid to a carrier substrate of the microfluidic device, or before or after the step creating the electric field. In this case, the electric field is built up and/or varied, for example, between the electrode and a counter-electrode lying opposite the electrode in or on the microcavity. This results in the advantages already mentioned above.
Zudem ist es von Vorteil, wenn ein Schritt des Waschens der Probenflüssigkeit unter Verwendung eines Waschpuffers nach dem Schritt des Erzeugens des elektrischen Felds erfolgt, um eine Suspension der Probenflüssigkeit aus der Mikrokavität herauszuwaschen. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.In addition, it is advantageous if a step of washing the sample liquid using a washing buffer takes place after the step of generating the electric field in order to wash out a suspension of the sample liquid from the microcavity. This results in the advantages already mentioned above.
Desweiteren ist es von Vorteil, wenn im oder nach dem Schritt des Erzeugens des elektrischen Felds nach dem Fangen der kernhaltigen Zelle, die Freigabe einer weiteren kernhaltigen Zelle aus der Probenflüssigkeit als Nicht-Zielzelle aus dem elektrischen Feld durch die Elektrode erfolgt. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.Furthermore, it is advantageous if, in or after the step of generating the electric field after capturing the cell containing a nucleus, another cell containing a nucleus is released from the sample liquid as a non-target cell from the electric field through the electrode. This results in the advantages already mentioned above.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn im Schritt des Aufbringens der Probenflüssigkeit ein Aufbringen eines Lysats auf das Trägersubstrat erfolgt, um ein Zellsediment mit der zumindest einen kernhaltigen Zelle und eine Zellsuspension eines Lysats zu erhalten. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile. Desweiteren vorteilhaft ist es, wenn der Schritt des Identifizierens der kernhaltigen Zellen aus der Probenflüssigkeit nach dem Schritt des Erzeugens des elektrischen Felds vorgesehen ist. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.
Auch vorteilhaft ist es, wenn im Schritt des Identifizierens die kernhaltigen Zellen aus einem Zellsediment optisch detektiert und/oder quantifiziert werden. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.In addition, it is advantageous if a lysate is applied to the carrier substrate in the step of applying the sample liquid in order to obtain a cell sediment with the at least one nucleated cell and a cell suspension of a lysate. This results in the advantages already mentioned above. It is also advantageous if the step of identifying the cells containing a nucleus from the sample liquid is provided after the step of generating the electric field. This results in the advantages already mentioned above.
It is also advantageous if the nucleated cells are optically detected and/or quantified from a cell sediment in the identification step. This results in the advantages already mentioned above.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn im Schritt des Erzeugens des elektrischen Felds die kernhaltige Zelle oder zumindest eine weitere kernhaltige Zelle in einer Einfangebene der Mikrokavität gefangen werden und/oder wobei bei der Freigabe die Zelle oder zumindest eine weitere kernhaltige Zelle aus der Probenflüssigkeit aus dem elektrischen Feld in eine Transportebene freigegeben wird. Hieraus ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.Furthermore, it is advantageous if, in the step of generating the electric field, the nucleated cell or at least one other nucleated cell is caught in a capture plane of the microcavity and/or the cell or at least one other nucleated cell is released from the sample liquid from the electric field is released into a transport level. This results in the advantages already mentioned above.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante des Ansatzes in Form einer Vorrichtung kann die dem Ansatz zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise als eine Steuereinheit oder als Steuergerät realisiert sein.The approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. The task on which the approach is based can also be solved quickly and efficiently by this embodiment variant of the approach in the form of a device. The device can be implemented, for example, as a control unit or as a control device.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that are embedded in a communication protocol. The arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit being able to be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read in or output wire-bound data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it to a corresponding data transmission line.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending thereon, outputs control and/or data signals. The device can have an interface that can be configured as hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components. In the case of a software design, the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.A computer program product or computer program with program code, which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and/or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous used, especially when the program product or program is run on a computer or device.
Es wird ferner eine mikrofluidische Vorrichtung zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle einer Probenflüssigkeit vorgestellt, insbesondere wobei die mikrofluidische Vorrichtung als eine Lab-on-Chip-Kartusche ausgeformt sein kann. Die mikrofluidische Vorrichtung weist ein Trägersubstrat zum Aufnehmen der Probenflüssigkeit auf, wobei das Trägersubstrat zumindest eine Mikrokavität aufweist. Weiterhin weist die mikrofluidische Vorrichtung zumindest eine Elektrode auf, die an oder in der Mikrokavität angeordnet ist, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das ausgebildet ist, um die kernhaltige Zelle in der Mikrokavität zu fangen.Furthermore, a microfluidic device for capturing at least one nucleated cell of a sample liquid is presented, in particular wherein the microfluidic device can be formed as a lab-on-chip cartridge. The microfluidic device has a carrier substrate for receiving the sample liquid, the carrier substrate having at least one microcavity. Furthermore, the microfluidic device has at least one electrode arranged on or in the microcavity to generate an electric field designed to trap the nucleated cell in the microcavity.
Die mikrofluidische Vorrichtung kann vorteilhafterweise in Verbindung mit Schnelltests eingesetzt werden. Sie kann beispielsweise als eine Einmalkartusche ausgeformt sein. Das Trägersubstrat kann beispielsweise als ein Schichtsubstrat ausgeformt sein, das eine Mehrzahl von Schichten umfasst. Beispielsweise kann die Elektrode oder können mehrere Elektroden in das Trägersubstrat integriert angeordnet sein. Die Elektrode kann an oder in einem Kavitätenboden oder an oder in einer Kavitätenwand der Mikrokavität angeordnet sein.The microfluidic device can advantageously be used in connection with rapid tests. For example, it can be in the form of a disposable cartridge. The carrier substrate can be formed, for example, as a layered substrate that includes a plurality of layers. For example, the electrode or multiple electrodes can be integrated into the carrier substrate. The electrode can be arranged on or in a cavity floor or on or in a cavity wall of the microcavity.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Trägersubstrat eine Mehrzahl von Mikrokavitäten mit jeweils zumindest einer Elektrode aufweisen, wobei die Mikrokavitäten matrixartig auf dem Trägersubstrat angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann ein elektrisches Feld durch die Elektroden in den Mikrokavitäten erzeugt werden. So können mehrere Zielzellen in den einzelnen Mikrokavitäten gefangen werden, beispielsweise je eine Zielzelle pro Mikrokavität.According to one embodiment, the carrier substrate can have a plurality of microcavities, each with at least one electrode, the microcavities being arranged in a matrix on the carrier substrate. An electric field can advantageously be generated by the electrodes in the microcavities. In this way, a number of target cells can be captured in the individual microcavities, for example one target cell per microcavity.
Weiterhin kann die zumindest eine Elektrode an einem Kavitätenboden und zusätzlich oder alternativ in einer Kavitätenwand zumindest einer der Mikrokavitäten angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Position bestimmt werden, an der die kernhaltige Zelle in der Mikrokavität gefangen werden kann.Furthermore, the at least one electrode can be arranged on a cavity floor and additionally or alternatively in a cavity wall of at least one of the microcavities. Advantageously, a position can thereby be determined at which the nucleated cell can be trapped in the microcavity.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zumindest eine Elektrode in jeder der Mikrokavitäten einzeln ansteuerbar sein. Das heißt, dass vorteilhafterweise immer in derjenigen Mikrokavität die zumindest eine Elektrode gezielt angesteuert werden kann, in der sich auch tatsächlich eine kernhaltige Zelle befindet. Speziell kann ferner eine Ansteuereinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um jeder der Elektroden in den unterschiedlichen Mikrokavitäten eine voneinander unabhängige Spannung einzuprägen. Auf diese Weise kann sehr effizient ein Übersprechen von elektrischen Feldern über mehr als eine Mikrokavität verhindert werden oder eine solche Wirkung zumindest reduziert werden. Die Vermeidung eines Übersprechens ermöglicht die Einstellung einer neuen gewünschten Feldverteilung an einer einzigen Mikrokavität von Interesse ohne dabei die bereits vorherrschenden vorherigen Feldverteilungen an allen anderen Mikrokavitäten zu verändern.According to one embodiment, the at least one electrode in each of the microcavities can be individually controllable. This means that the at least one electrode can advantageously always be activated in a targeted manner in that microcavity in which a nucleated cell is actually located. In particular, a control unit can also be provided, which is designed to impress a mutually independent voltage on each of the electrodes in the different microcavities. In this way, crosstalk from electric fields over more than one microcavity can be prevented very efficiently, or such an effect can at least be reduced. The avoidance of crosstalk allows a new desired field distribution to be set at a single microcavity of interest without changing the already prevailing previous field distributions at all other microcavities.
Ferner kann die Elektrode ringförmig, punktförmig und zusätzlich oder alternativ schichtartig ausgeformt sein. Vorteilhafterweise kann jede der Mikrokavitäten mindestens zwei Elektroden aufweisen, die beispielsweise konzentrisch angeordnet sind. Dabei kann eine Elektrode punktförmig auf dem Kavitätenboden und eine weitere Elektrode ringförmig um die Elektrode ebenfalls am Kavitätenboden angeordnet sein. Alternativ können die zumindest zwei Elektroden schichtförmig übereinander, das bedeutet in das Trägersubstrat integriert angeordnet sein.Furthermore, the electrode can be ring-shaped, point-shaped and additionally or alternatively layer-shaped. Each of the microcavities can advantageously have at least two electrodes which are arranged concentrically, for example. In this case, one electrode can be arranged at a point on the cavity floor and another electrode can be arranged in a ring around the electrode, also on the cavity floor. Alternatively, the at least two electrodes can be arranged in layers one above the other, ie integrated into the carrier substrate.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikrokavität zumindest eine weitere Elektrode aufweisen, wobei die Elektrode und die zumindest eine weitere Elektrode voneinander elektrisch isoliert sein können. Vorteilhafterweise können die Elektroden durch eine räumliche Trennung oder beispielsweise durch eine Isolierschicht voneinander elektrisch isoliert werden.According to one embodiment, the microcavity can have at least one further electrode, it being possible for the electrode and the at least one further electrode to be electrically insulated from one another. Advantageously, the electrodes can be electrically insulated from one another by spatial separation or, for example, by an insulating layer.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der an der Mikrokavität zumindest eine Gegenelektrode angeordnet ist, wobei die Gegenelektrode der Elektrode und/oder der zumindest einen weiteren Elektrode in oder an der Mikrokavität gegenüberliegend angeordnet und/oder von der Elektrode und/oder der zumindest einen weiteren Elektrode elektrisch isoliert ist. Durch eine solche Ausführungsform kann eine sehr flexible Ansteuerung des elektrischen Feldes in der Mikrokavität erreicht werden, sodass einzelne Zellen in der Mikrokavität schnell und einfach separiert oder getrennt werden können.An embodiment in which at least one counter-electrode is arranged on the microcavity is particularly advantageous, with the counter-electrode being arranged opposite the electrode and/or the at least one further electrode in or on the microcavity and/or from the electrode and/or the at least one further Electrode is electrically isolated. A very flexible control of the electrical field in the microcavity can be achieved by such an embodiment, so that individual cells in the microcavity can be separated or separated quickly and easily.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Darstellung einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem Trägersubstrat; -
3 eine schematische Darstellung eines Interposerbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Aufbaudarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Trägersubstrats; -
5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Trägersubstrats; -
6 eine schematische Darstellung eines Trägersubstrats; -
7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Trägersubstrats; -
8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Trägersubstrats; -
9 eine schematische Darstellung eines Betriebsmodus gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsmodus für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsmodus für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
12 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsmodus für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
13 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsmodus für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
14 eine schematische Diagrammdarstellung eines Spannungsverlaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
15 eine schematische Darstellung einer Mikrokavität mit Abmessungen gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Fangen zumindest einer kernhaltigen Zelle unter Verwendung zumindest einer Elektrode für eine mikrofluidische Vorrichtung; -
17 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
18a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Trägersubstrats; -
18b eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Trägersubstrats; -
19a eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Detektionskammer einer mikrofluidischen Vorrichtung; -
19b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Detektionskammer einer mikrofluidischen Vorrichtung; -
20a eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Detektionskammer einer mikrofluidischen Vorrichtung; und -
20b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Detektionskammer einer mikrofluidischen Vorrichtung.
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1 a schematic representation of a microfluidic device according to an embodiment; -
2 a schematic representation of a circuit board according to an embodiment with a carrier substrate; -
3 a schematic representation of an interposer area according to an embodiment; -
4 a schematic structural representation of an embodiment of a carrier substrate; -
5 a schematic cross-sectional view of a carrier substrate; -
6 a schematic representation of a carrier substrate; -
7 a schematic cross-sectional view of an embodiment of a carrier substrate; -
8th a schematic representation of an embodiment of a carrier substrate; -
9 a schematic representation of an operating mode according to an embodiment for a microfluidic device; -
10 a schematic representation of an embodiment of an operating mode for a microfluidic device; -
11 a schematic representation of an embodiment of an operating mode for a microfluidic device; -
12 a schematic representation of an embodiment of an operating mode for a microfluidic device; -
13 a schematic representation of an embodiment of an operating mode for a microfluidic device; -
14 a schematic diagram representation of a voltage curve according to an embodiment for a microfluidic device; -
15 a schematic representation of a microcavity with dimensions according to an embodiment; -
16 12 is a flow diagram of a method according to an embodiment for capturing at least one nucleated cell using at least one electrode for a microfluidic device; -
17 a block diagram of a device according to an embodiment; -
18a a schematic representation of an embodiment of a carrier substrate; -
18b a schematic representation of an embodiment of a carrier substrate; -
19a a schematic cross-sectional representation of an embodiment of a detection chamber of a microfluidic device; -
19b a schematic cross-sectional representation of an embodiment of a detection chamber of a microfluidic device; -
20a a schematic cross-sectional representation of an embodiment of a detection chamber of a microfluidic device; and -
20b a schematic cross-sectional representation of an embodiment of a detection chamber of a microfluidic device.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable exemplary embodiments of the present approach, the same or similar reference symbols are used for the elements which are shown in the various figures and have a similar effect, with a repeated description of these elements being dispensed with.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägersubstrat 105 auf einer Leiterplatte 125 angeordnet, die wiederum an einem Gehäuseelement 130 der mikrofluidischen Vorrichtung 100 angeordnet ist. Das Trägersubstrat 105 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Breite b und eine Länge I mit den gleichen oder ähnlichen Werten auf, sodass es gemäß diesem Ausführungsbeispiel mehreckig, insbesondere quadratisch ausgeformt ist.According to this exemplary embodiment, the
In anderen Worten ausgedrückt wird durch den beschriebenen Ansatz ein All-in-One-System, die mikrofluidische Vorrichtung 100, beschrieben, die ausgebildet ist, um eine vollautomatisierte Quantifizierung und dielektrophoretische Einzelzellsortierung von kernhaltigen Zellen, und insbesondere von lebenden zirkulierenden Tumorzellen, aus Vollblut mithilfe von elektrifizierten Mikrokavitäten 110 durchzuführen.In other words, the described approach describes an all-in-one system, the
Eine zeitlich aufgelöste und standardisierte Quantifizierung von CTCs erlaubt es, einen Krankheitsverlauf eines Patienten in Echtzeit zu verfolgen, was auch als Real-Time Monitoring bezeichnet wird. Dadurch wird es ermöglicht, Therapieentscheidungen zu treffen (Precision Medicine) oder sogar Prognosen über ein progressionsfreies Überleben zu liefern, die an die individuelle Krankheitssituation angepasst sind. Bei einer Einzelzellsortierung werden Einzelzellanalysen von solchen kernhaltigen Zellen auf einer molekularen und zellulären Ebene ermöglicht. Dabei besteht ferner die Möglichkeit, detektierte Tumorzellen per geeigneter Einzelzellsortierung qualitativ hochwertig, das bedeutet schnell, effizient und in lebensfähigem Zustand verbleibend, aus einem kontaminierenden Hintergrund von gesunden Blutzellen zu isolieren und für nachfolgende molekulargenetische Analysen, wie beispielsweise Expressionsprofile, PCR, NGS, oder beispielsweise Subkultivierungs-, Stammzell- und Chemosensitivitätstests, zur Verfügung zu stellen. In solchen Fällen werden umso präzisere Informationen über die Krebserkrankung gewonnen. Dies betrifft beispielsweise die Art und Heterogenität der stattfindenden Mutationen oder aber auch mögliche Resistenzen gegenüber eingesetzten Medikamenten.A time-resolved and standardized quantification of CTCs allows the course of a patient's disease to be tracked in real time, which is also referred to as real-time monitoring. This makes it possible to make therapy decisions (precision medicine) or even to provide prognoses about progression-free survival that are adapted to the individual disease situation. Single cell sorting enables single cell analysis of such nucleated cells at a molecular and cellular level. It is also possible to isolate detected tumor cells from a contaminating background of healthy blood cells by means of suitable single cell sorting in a high-quality manner, i.e. quickly, efficiently and remaining in a viable state, and for subsequent molecular genetic analyses, such as expression profiles, PCR, NGS, or for example subculture, stem cell and chemosensitivity testing. In such cases, the more precise information about the cancer can be obtained. This concerns, for example, the type and heterogeneity of the mutations that take place or also possible resistance to the drugs used.
Vor diesem Hintergrund weist der hier vorgestellte Ansatz Mikrokavitäten 110 am Boden einer relativ flachen und großflächigen Detektionskammer auf. Das dadurch entstehende „All-in-One System“ ermöglicht dabei nicht nur die Probenvorverarbeitung und (quasi) isolationsfreie Quantifizierung von lebenden zirkulierenden Tumorzellen aus gesunden Blutzellen, sondern zusätzlich die dielektrophoretische Einzelzellsortierung von detektierten Tumorzellen für nachfolgende Einzelzellanalysen. Das System wird in mikrofluidischen Umgebungen eingesetzt und erlaubt eine vollautomatisierte Verarbeitung von Vollblut.Against this background, the approach presented here has microcavities 110 on the bottom of a relatively flat and large-area detection chamber. The resulting "all-in-one system" not only enables sample pre-processing and (quasi) isolation-free quantification of living circulating tumor cells from healthy blood cells, but also dielectrophoretic single-cell sorting of detected tumor cells for subsequent single-cell analysis. The system is used in microfluidic environments and allows fully automated processing of whole blood.
Kernelemente des hier vorgestellten Ansatzes umfassen dabei eine Probenvorverarbeitung zur Quantifizierung von CTCs sowie eine Einzelzellsortierung zur Einzelzellanalyse von CTCs auf molekularer und zellulärer Ebene. Die Probenvorverarbeitung und CTC-Quantifizierung erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel in elektrifizierten Mikrokavitäten 110, die für eine Einzelzellsortierung einsetzbar sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel basiert die Einzelzellsortierung auf der kontaktlosen Manipulation per negativer Dielektrophorese. Für diese Zwecke werden einzelne Kavitäten 110 beispielsweise durch Löcher an Kreuzungspunkten von gedeckelten Leiterbahnen definiert, welche als elektrisch getrennte und exklusiv adressierbare Zeilen und Spalten innerhalb einer Matrix auf dem Trägersubstrat 105 angeordnet sind. Die Freigabe einer einzigen Zielzelle oder, je nach Sortierstrategie, Nicht-Zielzelle, die zuvor in eine Kavität 110 sedimentiert ist und dort innerhalb eines „DEP-Käfigs“, auch während eines Spülvorgangs, stabil eingefangen wird, erfolgt durch Ansteuerung der zugehörigen Zeile und Spalte mithilfe eines geeigneten elektrischen Signals als Transfer der Zelle aus der Einfangebene in die Transportebene (Einsatz eines „DEP-Levitators“). Nicht-Zielzellen oder, je nach Sortierstrategie, Zielzellen in benachbarten Kavitäten 110 entlang derselben Zeile und Spalte werden in ihren Fangzuständen dabei nicht beeinflusst. Freigegebene Zellen werden mikrofluidisch abtransportiert, wobei diese durch eine abstoßende dielektrische Wechselwirkung über die gesamte Dauer der Einzelzellsortierung weder mit dem Chip in Berührung kommen, noch in benachbarte DEP-Käfige gespült werden.Core elements of the approach presented here include sample pre-processing for the quantification of CTCs and single-cell sorting for single-cell analysis of CTCs at the molecular and cellular level. According to this exemplary embodiment, the sample pre-processing and CTC quantification takes place in electrified
Da sich die für eine Zellmanipulation notwendigen DEP-Käfige nicht zwangsläufig über die gesamte Kammerhöhe erstrecken, sondern gemäß einem Ausführungsbeispiel innerhalb von Mikrokavitäten 110 am Kammerboden ausgebildet werden, liegt eine Entkopplung zwischen elektrischer und mikrofluidischer Komponente vor. In der Folge ist die Kammerhöhe und damit das Probenvolumen bei sonst gleichbleibender Grundfläche und Versorgungsspannungen bzw. erzielter DEP-Kräfte beliebig groß wählbar. Da Zellen innerhalb von Mikrokavitäten 110, im Vergleich zu solchen oberhalb eines planaren Substrats 105, bei der Bewegung des Mediums, in welchem sie suspendiert sind, außerdem (stark) reduzierte Stokes-Kräfte erfahren, wobei das Vorhandensein von DEP-Käfigen innerhalb von Kavitäten 110 zu umso stabileren Einfangpositionen führt, ist ein effizientes und verlustloses Waschen schnell durchführbar. Somit wird insgesamt eine automatisierte Vorverarbeitung von Vollblut und Quantifizierung von zirkulierenden Tumorzellen per Mikrofluidik unterstützt.Since the DEP cages required for cell manipulation do not necessarily extend over the entire chamber height, but rather are formed within
Da für die Einzelzellsortierung statische, das bedeutet in ihrer Position und Größe feste DEP-Käfige einsetzbar sind, entfällt bei geeigneter Ansteuerung die Notwendigkeit eines Einsatzes von integrierten aktiven Schaltungskomponenten. Ein derartiger passiver Chip kann vergleichsweise einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ein rein fluidischer Abtransport von Zellen ermöglicht höhere Transportgeschwindigkeiten, als es rein dielektrisch möglich wäre. Außerdem ist die Transportgeschwindigkeit unabhängig von der Beladung des Chips, da freigegebene Zellen nicht länger in der gleichen Ebene an anderen Zellen vorbeigeleitet werden müssen, sondern andere Zellen einfach geradlinig überfliegen können. Unter diesen Aspekten ist sowohl eine Positivselektion, als auch eine Negativselektion, gleichermaßen praktikabel umsetzbar.Since static DEP cages, ie DEP cages that are fixed in terms of their position and size, can be used for sorting the individual cells, there is no need to use integrated active circuit components if they are controlled appropriately. Such a passive chip can be manufactured comparatively easily and inexpensively. A purely fluidic removal of cells enables higher transport speeds than would be possible purely dielectrically. In addition, the transport speed is independent of the load on the chip, since released cells no longer have to be guided past other cells on the same level, but can simply fly over other cells in a straight line. Under these aspects, both a positive selection, as well as a negative selection, can be implemented equally practicably.
Ein an ein Träger-PCB, der hier als Leiterplatte 125 bezeichnet ist, gebondeter Si-Chip ist beispielsweise mikrofluidisch in eine LoC-Kartusche integrierbar und über ein Interposer-System elektrisch mit einer externen Ansteuerschaltung kontaktierbar.A Si chip bonded to a carrier PCB, which is referred to here as printed
Die für eine Kammer mit der Grundfläche 12,5 mm x 12,5 mm erforderliche Kammerhöhe beträgt beispielsweise mindestens 320 µm, um Blutlysat mit einem Gesamtvolumen von 50 µl zu beherbergen. Problemlos können bei Bedarf aber auch höhere Kammern erreicht werden, die dann entsprechend zu größeren Probenvolumina führen. Beispielsweise erhält man für eine Kammer der Höhe > 1 mm und Grundfläche von ~ 12,5 mm × 12,5 mm ein Kammervolumen von > 156 µl.For example, the chamber height required for a chamber with a base area of 12.5 mm×12.5 mm is at least 320 μm in order to accommodate blood lysate with a total volume of 50 μl. If necessary, higher chambers can also be reached without any problems, which then lead to larger sample volumes. For example, a chamber volume of > 156 µl is obtained for a chamber with a height > 1 mm and a base area of ~ 12.5 mm × 12.5 mm.
Das Trägerelement 105 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Schichten 220 auf, wobei ein Aufbau des Trägersubstrats 105 in einer der nachfolgenden Figuren näher beschrieben wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 105 eine Kammer 225 auf, in welcher die Probenflüssigkeit untersucht wird. Im Bereich der Kammer 225 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Mikrokavitäten 110 angeordnet. Weiterhin weist jede der Mikrokavitäten 110 zumindest eine Elektrode 230 auf, die beispielsweise einzeln ansteuerbar sind. Die Mikrokavitäten 110 sind optional matrixartig auf dem Trägersubstrat 105 angeordnet.According to this exemplary embodiment, the
Die Leiterplatte 125 ist dabei als Basiselement ausgeformt, an dem der Interposer 303, der beispielsweise ein Zwischenelement 305 und/oder ein Deckelelement 310 aufweist, angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Interposer 303, das Zwischenelement 305 und das Deckelelement 310, und die Leiterplatte 125 miteinander verpresst.The printed
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein modularer Aufbau dargestellt: Ein, elektrisch gesehen, passiver Sortier-Chip, der sich hier aus Leiterplatte 125 und darauf aufgebrachtem in der
Während sich der passive Teil beispielsweise innerhalb eines Lab-on-a-Chip Mikrofluidiksystems befindet, die hier als mikrofluidische Vorrichtung beschrieben ist, befindet sich der aktive Teil lediglich optional innerhalb einer zugehörigen und räumlich getrennten Auswerteeinheit.While the passive part is located, for example, within a lab-on-a-chip microfluidic system, which is described here as a microfluidic device, the active part is only optionally located within an associated and spatially separate evaluation unit.
Teilbild a) zeigt dabei ein Basismaterial 400 des Trägersubstrats 105, wie beispielsweise Silizium, das eine erste Oxidschicht 405 aufweist und somit als eine Basis dient. Teilbild b) entspricht dabei dem Teilbild a). Lediglich abweichend weist das Trägersubstrat 105 in Teilbild b) gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Metalllage 410 auf, die eine Mehrzahl von Metallstäben 415 oder beispielsweise Metallbändern aufweist. Die Metalllage 410 ist dabei derart auf der Oxidschicht 405 angeordnet, um für jede der auszuformenden Mikrokavitäten als die zumindest eine Elektrode zu wirken. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Metallstäbe 415 beabstandet voneinander angeordnet, sodass zwischen ihnen jeweils ein Spalt S angeordnet ist.Partial image a) shows a
Im Teilbild c) ist das Trägersubstrat 105 dargestellt, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel dem im Teilbild b) gezeigten Trägersubstrat 105 entspricht. Lediglich abweichend dazu weist das Trägersubstrat 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine zweite Oxidschicht 420 auf, die entlang den Metallstäben 415 der Metalllage 410 eine Vielzahl von Öffnungen 412 aufweist. Diese Öffnungen 412 sind dabei derart auf den Metallstäben 415 angeordnet, sodass diese im betriebsbereiten Zustand des Trägersubstrats 105 als zumindest eine Elektrode an Kavitätenböden der Mikrokavitäten fungieren. Ein Durchmesser d der Öffnungen 412 entspricht dabei jeweils einer Breite w eines Metallstabs 415.Sub-image c) shows the
Teilbild d) zeigt gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Weiterbildung von Teilbild c). Zusätzlich dazu weist das Trägersubstrat 105 eine weitere Metalllage 425 auf, die ebenfalls aus einer Vielzahl von weiteren Metallstäben 430 ausgeformt ist. Die weiteren Metallstäbe 430 erstrecken sich dabei quer zu den Metallstäben 415. Im Bereich der Öffnungen 412 der zweiten Oxidschicht 420 weisen die weiteren Metallstäbe 430 ringförmige Abschnitte auf, deren Größe und Position abhängig sind von der Größe und Position der Öffnungen 412 und die gemäß diesem Ausführungsbeispiel zumindest eine weitere Elektrode 445 ausformen. Die Elektrode 230 und die weitere Elektrode 445 sind dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel elektrisch voneinander isoliert und weiterhin optional konzentrisch angeordnet. Zusätzlich oder alternativ sind die Elektroden 230, 445 schichtartig zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass die zumindest eine Elektrode 230 an dem Kavitätenboden und/oder in einer Kavitätenwand zumindest einer der Mikrokavitäten 110 angeordnet ist.According to this exemplary embodiment, partial image d) shows a further development of partial image c). In addition to this, the
Teilbild e) entspricht Teilbild d) mit Ausnahme dessen, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Fotolackschicht 450 über der zweiten Metalllage 425 angeordnet ist. Die Fotolackschicht 450 weist wie auch zuvor die zweite Oxidschicht 420 weitere Öffnungen auf, die an der Position der Elektroden 230, 445 angeordnet sind. Die weiteren Metallstäbe 430 sind jedoch von der Fotolackschicht 450 bedeckt, die beispielsweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 230, 445 beabstandet voneinander angeordnet. Ein dadurch entstandener Steg weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine gleiche Breite w auf wie jeder der Metallstäbe 415.Partial image e) corresponds to partial image d) with the exception that, according to this exemplary embodiment, a
Das in Teilbild f) dargestellte Trägersubstrat 105 entspricht beispielsweise dem in Teilbild e) beschriebenen Trägersubstrat 105. Lediglich abweichend weist das Trägersubstrat 105 in Teilbild f) zusätzlich eine Gegenelektrode 455 (die hier als Metallschicht ausgebildet ist) auf, die über der Fotolackschicht 450 angeordnet ist und demnach als eine dritte Elektrode realisiert ist.The
In anderen Worten ausgedrückt ist ein Lagenaufbau des neuartigen DEP-Chips in Silizium-Technologie mit beispielhaften Abmessungen dargestellt. Der Chip setzt sich aus einer Mehrzahl von Lagen zusammen.In other words, a layered structure of the novel DEP chip in silicon technology is shown with exemplary dimensions. The chip is composed of a number of layers.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Mikrokavitäten 110 in DünnschichtTechnologie realisierst. Das Trägersubstrat 105 ist in diesem Fall beispielsweise als ein thermisch oxidierter Silizium-Wafer realisiert. Die Bodenelektroden 230, 445, welche durch die Metallstäbe 415, 430 ausgeformt sind, und eine sie elektrisch isolierende Oxidschicht 420 sind beispielsweise lithografisch abbildbar: Wahlweise kann dies entweder in Kombination mit einem Sputter- bzw. Aufwachsprozess und Ätzen oder alternativ mit einem Aufdampfen und Lift-Off geschehen. Dabei werden problemlos horizontale Auflösungen von ~ 1 µm erreicht. Die Schichtdicken für Metallfilme und Oxide betragen beispielsweise wenige Nanometer bis zu maximal ~ 3 µm. Eine Gegenelektrode 455, die hier als Metallschicht beschrieben ist, kann auf die gleiche Weise hergestellt werden und besitzt die gleichen Herstellungslimitierungen wie die Bodenelektroden 230, 445 auch. Die Wände von Kavitäten werden beispielsweise durch einen dicken lithografisch strukturierten Fotoresist, der hier als Fotolackschicht 450 mit Maßen ab 2 µm bis zu 200 µm in der Tiefe mit einem Aspektverhältnis von bis zu ~ 1:10 bezeichnet ist, erzeugt. Die Form der Grundfläche einer Kavität 110 ist beliebig wählbar, beispielsweise kreisförmig, hexagonal oder quadratisch. Kavitäten 110 können auf Bodenelektroden 230, 445 innerhalb einer „klassischen Matrix“ oder, alternativ, dichtest gepackt angeordnet werden.According to this exemplary embodiment, the
Alternativ dazu sind die Mikrokavitäten 110 in Leiterplatten-Technologie (PCB) wie folgt realisierbar. Das Trägersubstrat 105 besteht beispielsweise aus einem steifen FR4-Träger, beispielsweise > 1 mm starkes Basismaterial 400. Über einen Klebstoff sind beispielsweise die funktionalen Lagen des Trägersubstrats 105 miteinander verbunden. Die Metalllagen oder Leiterbahnen weisen beispielsweise aus per Fotolithografie strukturierten und nasschemisch geätzten dünnen Kupferfolien auf, die beispielsweise eine Dicke ab 6 µm bis 70 µm umfassen. Leiterbahnbreiten und -abstände sind beispielsweise standardmäßig bereits ab 15 µm realisierbar. Isolatoren zwischen den Leiterbahnen weisen beispielsweise normalerweise dünne Polyimid-Folien mit Dicken ab 12 µm auf. Unterschiedliche Metalllagen und Isolatoren werden über Laminierungsprozesse miteinander gefügt. Bohrlöcher an Kreuzungspunkten der Bodenelektroden 230, 445, auch „ungeplatete Blind-Vias“ genannt, entstehen beispielsweise durch Ablation mit einem (Ultra-) Kurzpulslaser. Diese besitzen beispielsweise Durchmesser ab ca. 15 µm und ein Aspektverhältnis von ~ 1:1. Freigesetzte Metallflächen, vor allem solche, die mit dem Medium in Kontakt kommen, können durch ein sogenanntes „Finishing“ geschützt werden. Standard-Endoberflächen in der PCB-Technologie sind beispielsweise ENIG, ENEPIG, EPIG oder galvanisch Gold. Anzumerken ist hierbei noch, dass die Endoberfläche in diesem Ausführungsbeispiel auf allen freistehenden Metallflächen vorhanden ist, also auch auf allen Elektroden 230, 445 und 455. Zu beachten ist, dass das Finishing nicht zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen unterschiedlichen Kontakten führen darf. Die Mikrokavitäten 110 weisen beispielsweise einen Durchmesser von 100 µm und eine Tiefe von 66 µm auf.As an alternative to this, the
Herkömmlich sind, um sich des Informationsgehalts von zirkulierenden Tumorzellen aus Blutproben zu bedienen, die CTC-Quantifizierung mit der dafür notwendigen Probenvorverarbeitung sowie, sofern im Anschluss verfolgt, die CTC-Einzelzellanalyse mit der dafür notwendigen Einzelzellsortierung voneinander entkoppelte Prozesse. Hierfür sind in der Regel mehrere Geräte, beispielsweise unabhängige Plattformen, die als „Prozessstufen“ zusammengeschaltet sind, und manuelle Prozessschritte unter Einsatz von Laborequipment, wie beispielsweise Pipetten, Reaktionsgefäße oder Zentrifugen, erforderlich.Conventionally, in order to use the information content of circulating tumor cells from blood samples, CTC quantification with the necessary sample pre-processing and, if followed, CTC single-cell analysis with the necessary single-cell sorting are processes that are decoupled from one another. This usually requires several devices, such as independent platforms that are interconnected as "process stages", and manual process steps using laboratory equipment such as pipettes, reaction vessels or centrifuges.
Die Probenvorverarbeitung sieht typischerweise mindestens eine Beseitigung von Erythrozyten (Red Blood Cells, RBCs) sowie eine fluoreszente Anfärbung (Markierung) von kernhaltigen Zellen für die optische Detektion und Klassifizierung von CTCs vor. Je nachdem, ob vor der CTC-Zählung eine (weitere) Sortierung von CTCs aus Leukozyten (White Blood Cells, WBCs) stattfindet oder nicht, spricht man von isolationsbehafteten oder (quasi) isolationsfreien Methoden.Sample preprocessing typically includes at a minimum removal of red blood cells (RBCs) and fluorescent staining (labeling) of nucleated cells for optical detection and classification of CTCs. Depending on whether a (further) sorting of CTCs from leukocytes (white blood cells, WBCs) takes place before the CTC count or not, one speaks of isolation-related or (quasi) isolation-free methods.
Lösungen für die Einzelzellsortierung treffen generell einen Kompromiss zwischen Sortierdurchsatz und -sensitivität. Die gewählte Strategie hängt dabei maßgeblich von der konkreten Anwendung ab. Dies kann die Beschaffenheit der Probe im Ausgangszustand sowie die Anforderungen der nachfolgenden Einzelzellanalyse betreffen.Single cell sorting solutions generally compromise between sorting throughput and sensitivity. The selected strategy depends largely on the specific application. This can affect the nature of the sample in the initial state as well as the requirements of the subsequent single-cell analysis.
Für die Sortierung von größeren Zellmengen mit beispielsweise einer Startmenge von mehr als einer Million Zellen, kommen traditionell zum Beispiel fluoreszenzbasierte Durchflusszytometer (FACS) zum Einsatz. Diese weisen jedoch vergleichsweise große Totvolumina auf und können, je nach Größe und Intensität der nachzuweisenden Markierungen auf den Zellen, relativ verlustbehaftet sein. Ferner steht während des Sortiervorgangs normalerweise nicht die Möglichkeit der visuellen Kontrolle (Imaging) zur Verfügung. Außerhalb von Mikrofluidiksystemen lassen sich einzelne, in einer Vorstufe detektierte und eventuell angereicherte Zielzellen, wie beispielsweise zirkulierende Tumorzellen, aus Nicht-Zielzellen, beispielsweise gesunde Blutzellen wie etwa Leukozyten, klassischerweise auch per Mikrokapillare („Zellpicker“) isolieren. Hierfür werden üblicherweise aus Glas gefertigte ultrafeine Kapillare mit beispielsweise einem Innendurchmesser im Bereich von wenigen 10 µm mithilfe eines Mikromanipulators an die Zielzelle herangefahren. Durch Anlegen eines wohldefinierten Unterdrucks wird die Zielzelle von den umliegenden Nicht-Zielzellen abgesaugt und beispielsweis in ein separates Gefäß für weitere Analysen überführt.For example, fluorescence-based flow cytometers (FACS) are traditionally used for sorting larger amounts of cells, for example with a starting amount of more than one million cells. However, these have comparatively large dead volumes and can, depending on the size and intensity of the markings to be detected on the cells, to be relatively lossy. Furthermore, the possibility of visual control (imaging) is normally not available during the sorting process. Outside of microfluidic systems, individual target cells detected and possibly enriched in a preliminary stage, such as circulating tumor cells, can be isolated from non-target cells, for example healthy blood cells such as leukocytes, using microcapillaries ("cell pickers"). For this purpose, ultra-fine capillaries usually made of glass with, for example, an inner diameter in the range of a few 10 µm are moved to the target cell using a micromanipulator. By applying a well-defined negative pressure, the target cell is sucked away from the surrounding non-target cells and, for example, transferred to a separate vessel for further analysis.
Ist man an der effizienten Sortierung von kleinen Biopsien mit beispielsweise einer Startmenge von einigen zehntausend Zellen, was wiederum beispielhaft der Anzahl von Leukozyten in wenigen Mikrolitern Blut entspricht, in einer mikrofluidischen Umgebung interessiert, zeichnete sich der Ansatz, biologische Zellen auf der Grundlage ihrer dielektrischen Eigenschaften zu manipulieren, bislang als vielversprechend ab. Der zugrundeliegende Mechanismus, die sogenannte Dielektrophorese (DEP), bezeichnet die Bewegung auch ungeladener polarisierbarer Partikel in einem räumlich nicht-homogenen elektrischen Gleich- oder Wechselfeld. Dabei wechselwirkt das von außen angelegte elektrische Feld mit elektrischen Multipolen, welche durch eben dieses äußere Feld induziert werden, und es kommt zu einer dielektrophoretischen Kraftwirkung auf das Partikel.If one is interested in the efficient sorting of small biopsies with, for example, a starting quantity of several tens of thousands of cells, which in turn corresponds to the number of leukocytes in a few microliters of blood, in a microfluidic environment, the approach of sorting biological cells on the basis of their dielectric properties to manipulate, so far as promising. The underlying mechanism, the so-called dielectrophoresis (DEP), describes the movement of even uncharged polarizable particles in a spatially non-homogeneous direct or alternating electric field. The electric field applied from the outside interacts with electric multipoles, which are induced by this very external field, and a dielectrophoretic force acts on the particle.
Biologische Zellen werden auf diese Weise berührungsfrei und unabhängig von Markern manipuliert. Da der Effekt in großem Maßstab skalierbar ist, resultiert ferner eine gute Vereinbarkeit mit modernen MEMS-Technologien. Für den einfachsten Fall eines sphärischen Partikels - beispielhaft stellvertretend für eine aus den zellulären Blutbestandteilen zu isolierende lebende zirkulierende Tumorzelle - lässt sich mit
Wird der Ansatz verfolgt, Zellen per pDEP zu manipulieren, ist zu bedenken, dass dies nur in einem niedrig-leitfähigen Puffer erreichbar ist. Zwar führt dies einerseits insgesamt zu (deutlich) geringeren Wärmeverlusten, jedoch ist mit dieser Maßnahme andererseits ein zusätzlicher, separater Deionisierungsprozess verbunden und die erzwungene „künstliche Atmosphäre“ kann sich negativ auf die Viabilität und das Proliferationsverhalten von Zellen auswirken („Auslaufen des Zellinneren“).
Stabile Kräftegleichgewichte entstehen für attraktive DEP-Kräfte stets sterisch an den felderzeugenden Elektrodenoberflächen bzw., allgemeiner formuliert, an Stellen maximaler elektrischer Feldstärke auf einer Chipoberfläche. DEP-Fallen sind auf diese Art und Weise zwar wesentlich leichter zu erzeugen und stärker, insbesondere steigt die Rückhaltekraft für steigende Spannungen, doch führt dies dazu, dass es zum Kontakt und damit unter Umständen zum Verkleben von Zellen mit der Chipoberfläche kommen kann und Zellen durch zu hohe elektrische Feldstärken lysiert werden können. Dies sind mitunter die entscheidenden Nachteile, die eine (stark) reduzierte Effizienz bzw. Reinheit der Sortierung per pDEP hervorrufen können. Ist man bestrebt, die soeben aufgeführten Probleme zu umgehen, so können alternativ negative DEP-Kräfte zur Sortierung von Zellen eingesetzt werden, wie sie in physiologischen Medien, wie beispielsweise Blutplasma, PBS oder Zellkulturmedium, „ohnehin nur“ erreicht werden. Zwar ist dann vergleichsweise mit einer gesteigerten Umsetzung von elektrischer Wirkleistung in Wärme zu rechnen, die gegebenenfalls nur durch geeignete Zusatzkomponenten, beispielsweise Lüfter oder Peltierelement, abgeführt werden können, dafür aber erübrigt sich eine vorausgehende Deionisierung. Ferner werden durch das Beibehalten eines natürlichen Mediums die Lebensfähigkeit und die Expressionsprofile von Zellen maximal konserviert.If the approach of manipulating cells via pDEP is followed, it should be borne in mind that this is only achievable in a low-conductivity buffer. On the one hand, this leads to (significantly) lower overall heat losses, but on the other hand, an additional, separate deionization process is associated with this measure and the forced "artificial atmosphere" can have a negative effect on the viability and proliferation behavior of cells ("leakage of the cell interior"). .
For attractive DEP forces, stable force balances always arise sterically at the field-generating electrode surfaces or, more generally, at points of maximum electric field strength on a chip surface. Although DEP traps are much easier to produce in this way and stronger, in particular the retaining force increases for increasing voltages, this means that cells can come into contact with the chip surface and thus possibly stick together and cells through too high electric field strengths can be lysed. These are some of the key disadvantages that can cause a (strongly) reduced efficiency or purity of sorting using pDEP. If one strives to circumvent the problems just mentioned, negative DEP forces can alternatively be used to sort cells, as they are “only” achieved in physiological media such as blood plasma, PBS or cell culture medium. Admittedly, a comparatively increased conversion of active electrical power into heat can then be expected, which can only be achieved by suitable additions components, such as fans or Peltier elements, can be dissipated, but there is no need for prior deionization. Furthermore, by maintaining a natural medium, cell viability and expression profiles are maximally preserved.
Im Falle von repulsiven DEP-Kräften werden Zellen stets zu Orten minimaler Feldstärke, also in der Regel vom Substrat weg, bewegt. Damit wird ein Kontakt zwischen Zellen und der Chipoberfläche vermieden und dem Verkleben sowie der Zerstörung von Zellen durch Feldüberhöhungen entgegengewirkt. Als durchaus herausfordernd gestaltet sich angesichts dessen die Realisierung eines stabilen Kräftegleichgewichts innerhalb einer ausreichend starken DEP-Falle, deren Rückhaltekraft üblicherweise mit steigender Spannung sinkt. Die Strategie bei diesem Ansatz besteht darin, Zielzellen aus Nicht-Zielzellen in einer Ebene, aber mithilfe von zwei getrennten Kammern zu isolieren. Ein Sortierprozess umfasst dabei nachfolgende zwei Schritte:
- Zunächst wird die vorbereitete Zellsuspension von Interesse in eine große Hauptkammer, die hier auch
als Kammer 220 und im Weiteren als „Kammer 1“ bezeichnet ist, eingegeben, diebenachbarte kleine Nebenkammer 502, im Weiteren als „Kammer 2“ bezeichnet, wird mit einem sauberen Waschpuffer physiologischer Zusammensetzung befüllt. Für die Befüllvorgänge stehen in 220, 502 jeweils ein Inlet für die Eingabe und ein Outlet für die Entlüftung bzw. Ausgabe zur Verfügung.den einzelnen Kammern 220, 502 sind nach Befüllung fluidisch luftfrei miteinander verbunden. dieBeide Kammern 510, 515 inZellen Kammer 1 sind zufällig, jedoch homogen, verteilt, keine Zellen gelangen inKammer 2. InKammer 1 werden Zielzellen rein (di-)elektrisch eingefangen und „deterministisch“, das bedeutet entlang von individuell programmierbaren Trajektorien, an ebenso eingefangen Nicht-Zielzellen ineiner festen Ebene 545 kollisionsfrei vorbei bis inKammer 2 transportiert. Beispielsweise werden die 220, 502 und deren Wände durch ein doppelseitiges Klebeband geeigneter Höhe und geeigneten Layouts definiert, welches den Boden und die Decke abdichtend verbindet. Der Transport von Zielzellen geschieht kontaktlos in und mithilfe von dreidimensionalen „permanent geschlossenen DEP-Käfigen“. Ein solcher Käfig in der „Standardkonfiguration“ besteht beispielsweise aus 3 × 3 planaren quadratischen Silizium-Kammern 230, 445, welche sich auf dem Kammerboden befinden (je Elektrode: ~ 18,8 µm × 18,8Elektroden 1,2 µm Abstand zu benachbarten Elektroden), sowie einer transparenten Indiumzinnoxid-Gegenelektrode (ITO) 455, welche sich ganzflächig auf der Kammerdecke erstreckt. Um ein Feldminimum inmitten der Kammer zu erzeugen, in welches Zellen per nDEP stabil platziert werden, werden dieµm mit zentrale Bodenelektrode 230 und dieGegenelektrode 455 auf der Kammerdecke auf ein gleiches alternierendes Potential gesetzt („In-Phase“ bzw. „+“), während dieäußeren Bodenelektroden 445 hierzu gegenphasig betrieben werden („Counter-Phase“ bzw. „-“).
- First, the prepared cell suspension of interest is introduced into a large main chamber, also referred to herein as
chamber 220, hereinafter referred to as "chamber 1", the adjacentsmall sub-chamber 502, hereinafter referred to as "chamber 2", is filled with a clean Filled with washing buffer of physiological composition. An inlet for the input and an outlet for the venting or output are available in the 220, 502 for the filling processes. After filling, the twoindividual chambers 220, 502 are fluidly connected to one another in an air-free manner. thechambers 510, 515 incells chamber 1 are distributed randomly, but homogeneously, no cells reachchamber 2. Inchamber 1, target cells are captured purely (di-)electrically and "deterministically", i.e. along individually programmable trajectories, to the same captured non-target cells in a fixedplane 545 transported past tochamber 2 without collision. For example, the 220, 502 and their walls are defined by double-sided tape of appropriate height and layout sealingly connecting the floor and ceiling. Target cells are transported contactlessly in and with the help of three-dimensional "permanently closed DEP cages". Such a cage in the "standard configuration" consists, for example, of 3 × 3 planarchambers 230, 445, which are located on the chamber floor (each electrode: ~ 18.8 µm × 18.8 µm with a distance of 1.2 µm to neighboring electrodes), as well as a transparent indium tin oxide counter electrode (ITO) 455, which extends over the entire surface of the chamber ceiling. In order to generate a field minimum in the middle of the chamber, in which cells are stably placed via nDEP, thesquare silicon electrodes central bottom electrode 230 and thecounter electrode 455 on the chamber ceiling are set to an equal alternating potential ("in-phase" or "+") while the outerbottom electrodes 445 are operated in phase opposition ("counter-phase" or "-").
In Kammer 2 erfolgt die Ausgabe von zuvor aus Kammer 1 „ausgeschleusten“ Zielzellen 510 in externe Reaktionsgefäße, wie beispielsweise Eppendorf Tubes, über einen letzten Spülvorgang mit sauberem Puffer. Dieser Vorgang findet also rein mikrofluidisch und somit „nicht-deterministisch“ statt, was bedeutet, dass die kernhaltigen Zellen gemäß dieser Variante lediglich einer geradlinigen Trajektorie folgen.In
Der hier aufgeführte Sortierprozess gewährleistet reproduzierbare Effizienzen und Reinheiten von jeweils 100 %, trägt aber „Konsequenzen“ mit sich, die wie folgt zu interpretieren sind:
- Um im Rahmen von einfach realisierbaren und handhabbaren Versorgungsspannungen (UDEP ≤5 VRMS), die noch keine Elektrolyseeffekte induzieren, eine für die Zellmanipulation ausreichend hohe elektrische Feldstärke bzw. DEP-Kraft zu generieren, ist die Höhe der
Kammer 1, und damit in Verbindung stehend das maximale Probenvolumen, welchesKammer 1 fassen kann, beschränkt. Beispielsweise führen maximal ~ 100 µm Kammerhöhe für eine Grundfläche derKammer 1 von ~ 12,5 mm × 12,5 mm zu maximal ~ 15,6 µl Kammervolumen. Im Gegensatz zum Fall inKammer 2, ist ein effizientes Waschen inKammer 1 ferner nicht gewährleistet oder nicht praktikabel. Aus diesen Gründen ist eine externe Konzentration mit zusätzlicher Anreicherung von Zielzellen innerhalb eines sauberen Puffers vorgesehen. Dies wird üblicherweise durch eine Zentrifuge realisiert, wobei ein manueller Probentransfer zwischen den Geräten notwendig ist und zusätzliche Zellverluste zu befürchten sind. Die für die Aktuation notwendigen „dynamischen“, das bedeutet in ihrer Position und Größe variierbaren DEP-Käfige, wie oben beschrieben, können nur durch aktive Bauelemente, beispielsweise Transistoren oder Speicherelemente realisiert werden. Diese sind innerhalb der einzelnen Silizium-Elektroden in CMOS-Technologie integriert.
- In order to generate an electric field strength or DEP force that is sufficiently high for cell manipulation within the framework of easily realizable and manageable supply voltages (U DEP ≤5 V RMS ) that do not yet induce electrolysis effects, the height of
chamber 1, and thus in Relatedly, the maximum sample volume thatchamber 1 can hold is limited. For example, a maximum chamber height of ~100 μm for a base area ofchamber 1 of ~12.5 mm×12.5 mm results in a maximum chamber volume of ~15.6 μl. Furthermore, unlike the case inchamber 2, efficient washing inchamber 1 is not guaranteed or impractical. For these reasons, external concentration with additional enrichment of target cells within a clean buffer is intended. This is usually done using a centrifuge, which means that manual sample transfer between the devices is necessary and additional cell losses are to be feared. The "dynamic" DEP cages required for the actuation, ie DEP cages that can be varied in their position and size, as described above, can only be implemented using active components, for example transistors or memory elements. These are integrated within the individual silicon electrodes using CMOS technology.
Gemäß dieser Variante ist eine maximale Transportgeschwindigkeit für Zielzellen in Kammer 1 limitiert (~ 1 Elektrodenbreite/Sekunde), da die für den Transport eingesetzten (lateralen) DEP-Kräfte limitiert sind. Weiterhin optional hängt die maximale Transportgeschwindigkeit im Einzelfall von der Beladung des Chips ab. Das bedeutet, dass zwar, verglichen mit der Standardkonfiguration, ein geschlossener DEP-Käfig für die Beherbergung von theoretisch insgesamt
der Hauptabschnitt 500 und die Kammer 220 sind hier quadratisch ausgeformt. Weiterhin ist die Kammer 220 optional mit der Nebenkammer 502 über einen flaschenhalsartigen Verbindungsabschnitt 610 verbunden. Die Nebenkammer 502 ist dabei im Wesentlichen geradlinig ausgeformt und weist einen Einlass 615 und einen dem Einlass 615 gegenüberliegenden Auslass 620 auf. Hierfür gibt es ein separates Inlet-Outlet-Paar IN 615 und OUT 620 wobei dieses Inlet-Outlet-Paar nur zum Spülen/Transport/Ausgabevorgang mit klarem Puffer vorgesehen ist. Der Auslass 620 ist ausgebildet, um die vereinzelte kernhaltige Zelle 510 über die Nebenkammer 502 aus dem Trägersubstrat 105 in das Probengefäß 605 auszulassen.the
In anderen Worten ausgedrückt wird eine Einzelzellsortierung mithilfe von elektrifizierten Mikrokavitäten 110 beschrieben, wobei die kernhaltige Zelle 510 aus Nicht-Zielzellen, das bedeutet aus weiteren kernhaltigen Zellen 515 in einer Kammer, aber mithilfe von zwei getrennten Ebenen 545, 710 isoliert werden. Ein entsprechender Sortierprozess sieht dabei einen Vorprozess und eine räumliche Trennung vor, wodurch eine Quantifizierung der kernhaltigen Zelle 510 ermöglicht wird.In other words, a single cell sorting is described using electrified
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 105 elektrifizierte Mikrokavitäten 110 für die Einzelzellsortierung auf. Außerhalb ist ein 2-WegeVentil, das hier auch als Ventil 700 bezeichnet ist, zur Verfügung gestellt. Das Ventil 700 ist ausgebildet, um das im Vorprozess wegzuspülende und als Kontamination wirkende Blutlysat 705 unter Verwendung des nachkommenden sauberen Waschpuffers bei der Einzelzellsortierung räumlich vollständig von der kernhaltigen Zelle 510 abzutrennen. Alternativ ist es denkbar, zur Abtrennung des Blutlysats 705 ohne Ventil 700 zwei verschiedene Reaktionsgefäße einzusetzen, die sequentiell am Outlet, das bedeutet am Auslass 620, platziert werden.According to this exemplary embodiment, the
Am Boden einer einzelnen Mikrokavität 110 ist eine erste punktförmige Elektrode 230, welche elektrisch isoliert von einer zweiten ringförmigen Elektrode 445 umschlossen ist. Diese beiden Bodenelektroden 230, 445 sind konzentrisch angeordnet und fallen mit dem Schwerpunkt der Grundfläche der Mikrokavität 110 zusammen. Elektroden 230, die als punktförmige Elektroden 230 durch Kavitäten 110 verlaufen, bilden die Spalten. Hierzu um 90° verdrehte Elektroden 445, die als ringförmige Elektroden durch die Kavitäten verlaufen, bilden die Zeilen einer Matrix, in der jede Bodenelektrode 230, 445 separat ansteuerbar ist. Um einen dreidimensionalen „DEP-Käfig mit Freigabefunktion“ generieren zu können, bedarf es abschließend einer dritten ganzflächigen Gegenelektrode, die auch als Metallschicht 455 bezeichnet ist und eine Stegoberseite zwischen benachbarten Wannen bildet.At the bottom of a
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden bodennahe und zufällig, jedoch gleichmäßig, verteilte intakte kernhaltige Zellen 510, 515, das bedeutet Leukozyten und zirkulierende Tumorzellen, bei ruhendem Medium (
Unmittelbar vor einem Waschen (
Im Folgenden wird optional, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, der Vorgang einer Positivselektion, also die Isolation einer Zielzelle 510 aus Nicht-Zielzellen 515, vorgestellt. Umgekehrt wird analog natürlich auch eine Negativselektion erreicht, indem Nicht-Zielzellen 515 aus Mikrokavitäten 110 freigegeben werden, Zielzellen 510 hingegen nicht.In the following, the process of a positive selection, ie the isolation of a
Sämtliche zu Boden der Kammer sedimentierte Zellen 510, 515 befinden sich im Ausgangszustand zunächst in einer Gleichgewichtsposition innerhalb der Mikrokavitäten 110, das bedeutet in einer konstanten Höhe ausgehend von den Böden der Kavitäten 110. Diese untere Einfangebene wird für die weiteren Betrachtungen als Ebene 710 bezeichnet. Das Level der angelegten DEP-Spannung sei nach wie vor maximal, das Medium innerhalb der Kammer sei nach wie vor in Bewegung. Um eine Zielzelle 510, 515 aus einem stabilen Fangzustand in Ebene 710 auszuschleusen und in eine obere Transportebene, die hier als Ebene 545 bezeichnet ist, über einer Stegoberseite, zu überführen, werden die am Ort der Zielzelle 510 überkreuzten Bodenelektroden 230, 445 mit geeigneten elektrischen Signalen angesteuert. Dazu wird an die zugehörige Spalte eine Freigabespannung UF,S und an die zugehörige Zeile dafür eine Freigabespannung UF,Z angelegt. Die Freigabespannungen sind dabei geometrieabhängig. Für 0 ≤ UF,S ≤ UF,Z ≤ UDEP,max sind die Freigabespannungen wie folgt zu wählen, um eine rein (di-) elektrische Freigabe von einer einzelnen Zelle aus ihrer Schwebeposition „deterministisch“ zu gewährleisten, ohne aber benachbarte Zellen in ihren Einfangpositionen zu beeinträchtigen. Bei allen eingesetzten Signalen handelt es sich beispielsweise um eine harmonische Anregung mit konstanter Frequenz.All
Eine Zellfreigabe erfordert Netto eine ausreichend große repulsive DEP-Kraft in negative z-Richtung entlang der zentralen Symmetrieachse durch die Mikrokavität 110 („DEP-Levitator“). Hierfür wird für eine gegebene Geometrie der Mikrokavität 110 durch eine geeignete Kombination aus UF,S und UF,Z sichergestellt, dass die Linien der elektrischen Feldstärke von der Gegenelektrode 455 allesamt auf die freigestellte Oberfläche der punktförmigen Bodenelektrode 230 (Spalte) möglichst parallel zu einer z-Achse abfallen und weiterhin eine ausreichend große Feldstärke vorliegt. Störungen dieses Feldverlaufs durch die ringförmige Bodenelektrode 445 (Zeile) im Randbereich der Mikrokavität 110 nahe einer Wand gilt es möglichst zu unterdrücken.In net terms, a cell release requires a sufficiently large repulsive DEP force in the negative z-direction along the central axis of symmetry through the microcavity 110 (“DEP levitator”). For this purpose, for a given geometry of the
UF,Z sollte gleichzeitig derart klein gewählt werden, dass ein Einbruch der DEP-Käfige von Nicht-Zielzellen 515 entlang der Freigabezeile, also links und rechts neben der Kavität 110 der Zielzelle 510, vermieden wird und geschlossene DEP-Käfige mit ausreichend Haltkraft bestehen bleiben. UF,S ist andererseits derart groß zu wählen, dass es in einem vorübergehenden neuen Gleichgewichtszustand innerhalb von tiefergelegten geschlossenen DEP-Käfigen zu keinem Kontakt zwischen Nicht-Zielzellen 515 und den Böden der zugehörigen Kavitäten 110 entlang der Freigabespalte, also oberhalb und unterhalb der Kavität 110 der Zielzelle 510, kommt.At the same time, U F,Z should be chosen so small that a burglary of the DEP cages of
Haben freigegebene Zellen zuvor in der Ebene 710 innerhalb der Kavitäten 110 Schutz gefunden und beim Waschen insgesamt nur reduzierte Stokes-Kräfte erfahren, so ändert sich die Situation in der Ebene 545. Hier erfolgt der (Ab-) Transport zum Auslass 620 und die Ausgabe mit einem sauberen (Wasch-)Puffer rein mikrofluidisch, also nicht-deterministisch, durch maximale Stokes-Kräfte und damit relativ schnell. Freigegebene Zellen können benachbarte DEP-Käfige nicht betreten, da diese geschlossen sind. Das Sortierprinzip erlaubt in Summe damit maximale Effizienzen und Reinheiten.If released cells have previously found protection in the
In anderen Worten ausgedrückt ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Betriebsmodus 900 der Einzelzellsortierung mithilfe von elektrifizierten Mikrokavitäten 110 in PCB-Technologie dargestellt und beschrieben, beispielsweise eine Positivselektion, was eine Isolation einer Zielzelle 510 aus Nicht-Zielzellen 515 beschreibt.In other words, according to this exemplary embodiment, an operating
Eine erste Kurve 1405 und eine zweite Kurve 1410 repräsentieren gemäß diesem Ausführungsbeispiel den in
Eine dritte Kurve 1415 und eine vierte Kurve 1420 verdeutlichen beispielhaft den in
Fünfte und sechste Kurven 1425 und 1430 repräsentieren weiterhin die in den
Eine Zielzelle kann in anderen Worten ausgedrückt beispielsweise unter Verwendung von
In anderen Worten ausgedrückt ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Seitenansicht einer elektrifizierten Mikrokavität 110 in Silizium-Technologie mit beispielhaften Abmessungen dargestellt. In
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Kavität 110 beispielhaft einen Durchmesser von 50 µm und eine Tiefe von ca. 37,5 µm. Die im Weiteren aufgeführten Zahlenbeispiele beziehen sich auf eine Trajektorie der leichtesten und kleinsten zu erwartenden kugelähnlichen CTC (ρp =1070 kg/m3 und R =3 µm), welche in einem physiologischen Medium
Der erste Prozessteil kommt mit vergleichsweise kleinen Volumina Vollblut (≤ 20 µl) als „Input“ aus. Der „Output“ stellt eine ideale Ausgangssituation für den zweiten Prozessteil, eine Einzelzellsortierung per DEP, dar. Bei der finalen optischen Detektion sind CTCs, die es zu isolieren gilt, unter weniger als 80000 bis 220000 Leukozyten in weniger als 100 µl Blutlysat zu erwarten, womit eine solche Zellsuspension insgesamt als relativ kleine Biopsie interpretierbar ist. Beladen: Ein offener DEP-Käfig ergibt sich beispielsweise für eine Betriebsspannung UDEP = UDEP, MIN = 1,5 VRMS.The first part of the process manages with comparatively small volumes of whole blood (≤ 20 µl) as "input". The "output" represents an ideal starting point for the second part of the process, a single cell sorting by DEP. In the final optical detection, CTCs that need to be isolated are to be expected among fewer than 80,000 to 220,000 leukocytes in less than 100 µl blood lysate, which means that such a cell suspension can be interpreted as a relatively small biopsy. Loaded: An open DEP cage results, for example, for an operating voltage U DEP = U DEP, MIN = 1.5 VRMS.
Wird das 50 µl große Kammervolumen für eine ausreichende optische Transparenz und Reinheit der Kammer beispielsweise innerhalb von 5 Minuten sicherheitshalber 30 mal ausgetauscht, das bedeutet mit einem Waschpuffer ausgespült, ergibt sich ein per Mikrofluidiksystem im Durchschnitt konstant einzustellender Volumenstrom von 5 µl/s. Für eine Kammer mit der Stirn-Eingangs- und Ausgangsfläche von 12,5 mm × 320 µm ist damit eine mittlere Flussgeschwindigkeit von
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 1600 außerdem einen Schritt 1615 des Änderns einer Stromstärke und/oder einer Spannung nach dem Schritt 1605 des Ausgebens, vor oder nach dem Schritt 1610 des Bereitstellens um das elektrische Feld zu verändern, beispielsweise zu stärken oder zu schwächen. In einem optionalen Schritt 1620 des Identifizierens nach dem Schritt 1610 des Bereitstellens werden die kernhaltigen Zellen aus der Probenflüssigkeit identifiziert und insbesondere aus dem Zellsediment optisch detektiert und/oder quantifiziert.According to this exemplary embodiment, the
Weiterhin optional umfasst das Verfahren 1600 einen Schritt 1625 des Waschens der Probeflüssigkeit. Dabei wird die Probeflüssigkeit unter Verwendung eines Waschpuffers nach dem Schritt des Bereitstellens 1610 gewaschen, um eine Suspension der Probenflüssigkeit aus der Mikrokavität herauszuwaschen.Further optionally, the
Die hier vorgestellten Verfahrensschritte können wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.The method steps presented here can be repeated and carried out in a different order than the one described.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine mittig in dem Trägersubstrat 105 angeordnete Mikrokavität 110 als Mikrokavität 110 von Interesse dargestellt. Die direkt mit ihr verbundenen Mikrokavitäten 110 sind dabei als kritische benachbarte Mikrokavitäten 110 ausgeführt, bei denen jeweils durch einen Blitz 1805 ein Spannungsabfall symbolisch dargestellt ist.
Der Blitz 1805 stellt ein parasitäres elektrisches Übersprechen dar und bedeutet, dass eine Umstellung der Feldverteilung der mittigen Kavität 110 von Interesse unerwünschterweise zu einem undefinierten Umstellen der Zustände in den benachbarten Mikrokavitäten 110 führt.According to this exemplary embodiment, a
The
Die Mikrokavitäten 110 basieren anders ausgedrückt auf Bodenelektroden mit quasi-planarem Lagenaufbau, welche lediglich beispielhaft in Form von separat ansteuerbaren und voneinander isolierten Spalten mit punktförmigen Elektroden als erste, unterste Metalllage und Zeilen mit ringförmigen Elektroden als zweite, mittlere Metalllage angeordnet sind. Da gemäß diesem Ausführungsbeispiel allerdings eine Passiv-Matrix dargestellt ist, die sich durch eine einfache Überkreuzung von Leiterbahnen auszeichnet, kann ein Spannungsabfall nicht lediglich an einer Mikrokavität 110 von Interesse angelegt oder ausgelesen werden. Um hingegen einen Zustand einer selektiven Adressierung zu erreichen, wird die Passiv-Matrix um geeignete integrierte Transistorschaltungen sowohl an Kreuzungspunkten von Leiterbahnen als auch an den entsprechenden Spalten und Zeilen zu einer Aktiv-Matrix erweitert, wie es in
In anderen Worten ausgedrückt wird die mikrofluidische Vorrichtung 100 um aktive Schaltungselemente, die eine „ideale“ selektive Adressierung einzelner Mikrokavitäten 110 von Interesse gestatten, erweitert, sodass das Trägersubstrat 105 als die Aktiv-Matrix ausgeformt ist. Mikrokavitäten 110 von Interesse sind beispielsweise solche Mikrokavitäten 110, an denen eine DEP-Manipulation erfasst wurde und/oder eine elektrochemische Detektion erfolgt ist. Die aktiven Schaltungselemente erlauben weiterhin, dass Elektroden innerhalb einer Mikrokavität 110 nicht nur als Manipulationselemente zur dielektrophoretischen Bewegung von Zellen, sondern auch als Sensorelemente zur elektrochemischen Detektion der durch Zellen abgegebenen Partikel in Lösung eingesetzt werden. Damit werden die Möglichkeiten einer Analyse on-Chip nach einer Versiegelung von Mikrokavitäten 110, wie es beispielsweise in den
Die Schaltungselemente einer quasi-planaren Aktiv-Matrix könnten in Form von integrierter Halbleiter-Schaltungstechnik implementiert werden. Hierfür ist beispielsweise eine Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-Technologie (CMOS) einsetzbar, welche monolithisch in Silizium gefertigt ist. Alternativ ist es denkbar, auch andere Technologien, wie beispielsweise eine BipolarTechnologie und Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Galliumarsenid einzusetzen. Die für eine selektive Adressierung einzelner Mikrokavitäten 110 erforderlichen nicht-linearen Bauelemente der Schaltung, das bedeutet beispielsweise Transistoren, Speicherelemente, Dioden, etc., lassen sich in jeder dieser Technologien typischerweise standardmäßig herstellen. Wird eine Aktiv-Matrix in Halbleiter-Schaltungstechnik realisiert, so ist die beschriebene ganzflächige Gegenelektrode, die auch als dritte Elektrode beschrieben wird, als dritte, oberste Metalllage beispielsweise mithilfe von Fotolack-Systemen aufbaubar. Hierfür wird lediglich beispielhaft SU-8-Fotolack verwendet, welcher in einer ersten dicken Lage, beispielsweise > 30 µm, unmodifiziert zur Definition der Mikrokavitäten 110 sowie anschließend in einer zweiten dünnen Lage, beispielsweise < 1 µm, mit Metallpartikeln, wie beispielsweise Silber, versetzt zur Definition der ganzflächigen Gegenelektrode aufgeschleudert. Nach einem so genannten Softbake, Belichten, Entwickeln und Hardbake beider Lagen wird die Gegenelektrode zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit optional noch mit einem chemisch inerten Metall, wie beispielsweise Gold, galvanisiert. Die elektrische Kontaktierung eines Halbleiter-Chips wird beispielsweise über eine Anbindung von Bonding-Drähten mit einer Träger-Leiterplatte realisiert, auf welche ein Chip zuvor aufgeklebt wurde.The circuit elements of a quasi-planar active matrix could be implemented in the form of semiconductor integrated circuit technology. A complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS) can be used for this purpose, for example, which is manufactured monolithically in silicon. Alternatively, it is conceivable to also use other technologies, such as bipolar technology and semiconductor materials, such as gallium arsenide. The nonlinear components of the circuit required for selective addressing of
Sollen Elektroden innerhalb einer Mikrokavität 110 auch als Sensorelemente zur elektrochemischen Detektion der durch die Zellen 510 abgegebenen Partikel in Lösung eingesetzt werden, so werden diese zur Steigerung der Sensitivität zuvor unter Umständen mit geeigneten Gegenpartikeln funktionalisiert. Die Gegenpartikel besitzen dabei beispielsweise die Aufgabe, die nachzuweisenden Partikel effektiv zu binden oder die elektrochemische Reaktion zwischen Partikel und Elektrode zu verstärken. Sensorelemente könnten für zahlreiche Anwendungen von Vorteil sein. Beispielsweise könnten auf diese Weise von B-Lymphozyten sekretierte Antikörper von Interesse (= Partikel) für eine Medikamentenherstellung identifiziert werden, nachdem die Elektroden mit dem entsprechenden Antigen (= Gegenpartikel) funktionalisiert wurden. Ein weiteres Beispiel sind Zellkultivierungen für eine Zelllinien-Entwicklung, bei denen mithilfe der Elektroden als Sensorelemente die Wachstumsbedingungen, wie beispielsweise pH-Wert, O2-, CO2-Gehalt und/oder Glukosekonzentration präzise und in Echtzeit verfolgt und kontrolliert werden.If electrodes within a
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 105 zudem eine dritte Elektrode 1925 auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einer Substratoberfläche flächig angeordnet ist. Die dritte Elektrode 1925 ist dabei ebenfalls als ein Pluspol ausgeführt und folgt dem in
In anderen Worten ausgedrückt sind die Mikrokavitäten 110 als elektrifizierte Mikrokavitäten 110 mit je einer beladenen kernhaltigen Zelle 510 dargestellt.In other words, the
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird während der Einzelzell-Analyse on-Chip der Chip, das bedeutet die mikrofluidische Vorrichtung 100, mit mindestens einem Medium 2000 nicht-wässriger Phase durchspült. Damit wird eine Versiegelung und somit eine Isolation von Zellen 510 in wässriger Phase, das hier als wässriges Medium mit physiologischen Eigenschaften beschrieben ist, in Mikrokavitäten 110 erreicht.According to this exemplary embodiment, the chip, ie the
Anders ausgedrückt wird das Lysat, das bedeutet die Schicht wässriger Phase, oberhalb der Kavitäten 110 nach einem Beladen der Zellen 510 zunächst durch ein Medium nicht-wässriger Phase 2000 verdrängt, um eine Versiegelung der Zellen 510 in wässriger Phase innerhalb von Mikrokavitäten 110 für EinzelzellAnalysen on-Chip zu erreichen. Sollen einzelne Zellen 510 zusätzlich für Analysen off-Chip in Auffanggefäße ausgegeben werden, so wird die zuvor eingegebene nicht-wässrige Phase 2000 wieder mit einer wässrigen Phase verdrängt und die Situation damit in den Ausgangszustand gebracht.In other words, the lysate, i.e. the layer of aqueous phase, above the
Anders ausgedrückt ist eine Beseitigung des parasitären mikrofluidischen Übersprechens dargestellt. Die elektrifizierten Mikrokavitäten 110 mit kernhaltigen Zellen 510 in wässriger Phase werden durch das nicht-wässrige Medium 2000 vollständig voneinander isoliert. Damit ist eine diffusive und konvektive Verschleppung der durch die Zellen 510 abgegebenen Partikel in Lösung nicht länger möglich und Analysen in einzelnen Mikrokavitäten 110 finden unabhängig voneinander statt.In other words, elimination of the parasitic microfluidic crosstalk is shown. The electrified
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an embodiment includes an "and/or" link between a first feature and a second feature, this should be read in such a way that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only that having the first feature or only the second feature.
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