WO2023110319A1 - Vorrichtung und verfahren zum splitten dreidimensionaler agglomerate - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum splitten dreidimensionaler agglomerate Download PDF

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WO2023110319A1
WO2023110319A1 PCT/EP2022/082759 EP2022082759W WO2023110319A1 WO 2023110319 A1 WO2023110319 A1 WO 2023110319A1 EP 2022082759 W EP2022082759 W EP 2022082759W WO 2023110319 A1 WO2023110319 A1 WO 2023110319A1
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WO
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microfluidic
microfluidic channel
fragments
channel
agglomerates
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PCT/EP2022/082759
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Stumber
Carina Schuessler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34—Internal compartments or partitions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/04—Cell isolation or sorting

Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic device, a method for operating the same, and to a processing unit and a cartridge comprising the microfluidic device, according to the preamble of the independent claims.
  • microfluidics offers advantages compared to conventional laboratory tests, such as smaller sample volumes and reagents required, shorter analysis times and processes running in parallel.
  • So-called lab-on-a-chip systems are microfluidic systems that accommodate the functionalities of a macroscopic laboratory on a plastic substrate for automated processing. Such systems make it possible to process biochemical processes largely or completely automatically.
  • Lab-on-a-chip systems typically include two main components.
  • the first is a test carrier, for example in the form of a cartridge, which includes structures and mechanisms for manipulating a sample taken, in particular passive components such as channels, reaction chambers or upstream reagents or else active components such as valves, pumps or mixers.
  • the second main component is a control unit for controlling the microfluidic processes in the cartridge.
  • WO 2016/183143 A1 describes the production of a heart cell organoid which is arranged in a microfluidic platform in order to examine the effect of drugs on heart cells.
  • a bioreactor of the platform has tubular stoppers on which the organoid is retained to hold it in a defined position.
  • a device for the cell culture of spheroids is known from WO 2014/179196 A1. This can be designed as a microfluidic device.
  • the spheroids are cultured in separate wells of the device.
  • the indentations have retaining structures in the form of edges, which serve to stop the movement of a pipette tip in order to allow the addition or removal of a liquid medium at a defined position in the vicinity of the spheroid.
  • tumor organoids and spheroids are used to research tumor diseases. These enable very good reproduction of various pathological tissue conditions, which is why they are ideal for drug tests to evaluate the effectiveness and dosage of drugs. These observations can then be used, for example, to select a personalized drug-based cancer therapy for the individual patient, which takes individual characteristics into account and thus optimizes the efficiency of the therapy.
  • tumor organoids are thus three-dimensional cell agglomerates, which have a similar composition and architecture to the patient's primary tumor tissue. For example, they have a diameter of 30-500 ⁇ m.
  • Spheroids are three-dimensional cell agglomerates that can be created by aggregating and organizing a few thousand cells, for example, with a diameter of 100 - 800pm. Compared to organoids, spheroids are less complex and typically have only one type of cell.
  • the main process steps here are the cultivation of organoids or spheroids and their subsequent expansion.
  • the organoids or spheroids are enzymatically and/or mechanically split into organoid or spheroid fragments of a few tens of cells and into individual organoid cells or spheroid cells. Then the split organoid or spheroid fragments and cells are seeded again. In this way, the organoids or spheroids multiply.
  • splitting is understood to mean a dissolution of connections between individual structures of a three-dimensional agglomerate and the resulting dissociation of the three-dimensional agglomerate into agglomerate fragments and/or individual structures.
  • three-dimensional agglomerates is understood to mean, for example, cell agglomerates such as organoids or spheroids.
  • cell agglomerates such as organoids or spheroids.
  • connections between cells in a cell agglomerate are broken, and the cell agglomerate is dissociated as a result into multicellular cell agglomerate fragments or individual cells.
  • the present invention addresses a microfluidic implementation of the processes for splitting three-dimensional agglomerates, such as tumor organoids or tumor spheroids.
  • a microfluidic device with a first fluidic connection and a second fluidic connection and at least one first microfluidic channel arranged between the first and the second fluidic connection, as well as a method for operating the same with the features of the independent claims are provided.
  • the at least one first microfluidic channel of the microfluidic device has at least one first retaining structure on which three-dimensional agglomerates can be mechanically split up by friction and that the at least one first retaining structure is placed in the at least one first microfluidic channel in such a way that it is no longer passable for unsplit three-dimensional agglomerates in the direction of the second fluidic connection.
  • the at least one first restraint structure is, for example, in the form of a pillar or post.
  • the cross section of the at least one first restraint structure is, for example, round or four or more corners.
  • the first microfluidic channel includes, for example, one or more first retention structures.
  • first retention structures In the case of a plurality of first retaining structures, these are arranged, for example, next to one another and/or one behind the other, in particular diagonally offset one behind the other, in the at least one first microfluidic channel.
  • the advantage here is that the work steps for splitting three-dimensional cell agglomerates can be carried out automatically by means of the microfluidic device. This saves a lot of time due to the savings in manual work steps, shorter analysis times and processes running in parallel. Furthermore, these work steps can not only be carried out by trained and experienced specialists, which relieves them.
  • the three-dimensional agglomerates and the agglomerate fragments, as well as the individual structures, remain viable and can be cultivated.
  • the at least one first retaining structure prefferably be placed in the at least one first microfluidic channel in such a way that it does not go any further in the direction of the second fluidic connection for three-dimensional agglomerates in the unsplit state is passable. In this way it is ensured that only split agglomerate fragments and/or individual structures and fluids can continue to pass through the microfluidic device.
  • the three-dimensional agglomerates collect in front of the at least one retention structure, as a result of which they are in an optimal starting position for subsequent splitting on the at least one retention structure of the at least one microfluidic channel.
  • the at least one first microfluidic channel splits into, in particular two, second microfluidic channels, each with a smaller diameter or a smaller width and/or height than the first microfluidic channel.
  • the fluidic resistance of the second microfluidic channels is essentially the same in order to ensure a uniform distribution of the flow and of the organoid cells and/or organoid agglomerates over the second microfluidic channels.
  • Each second microfluidic channel includes at least one second retention structure.
  • the second retention structure is placed in the second microfluidic channel in such a way that it is suitable for agglomerate fragments which are larger than the passage between the channel inner wall of the second microfluidic channel and the second retention structure and/or which are larger than the passage between two or more second Retaining structures, in the direction of the second fluidic connection, is no longer passable.
  • a microfluidic channel can split into, in particular two, new microfluidic channels with a retention structure as often as desired.
  • the advantage here is that the individual process steps for splitting the three-dimensional agglomerates take place in parallel in each of the split-off microfluidic channels, so that the process can be carried out faster, more efficiently and with a larger quantity of agglomerate fragments to be split. It is also advantageous that the microfluidic channels that split off have a smaller diameter than the parental channels, so that an agglomerate fragment can pass through the microfluidic device the further in the direction of the second fluidic connection lb, the smaller it is and in each microfluidic channel whose size has optimal split conditions adapted to it, such as the size of the retention structure and the dimensions of the respective microfluidic channel.
  • the cross section of the microfluidic channels is, for example, rectangular or square, it being possible for the corners to be rounded. Alternatively, the cross section of the microfluidic channels is round or oval, for example.
  • the first microfluidic channel can have a meandering configuration.
  • At least one microfluidic channel narrows, in particular continuously, in the direction of the second fluidic connection.
  • the first microfluidic channel for example, and all the microfluidic channels that split directly or indirectly from it become slimmer.
  • the streamlining can also take place in stages, for example by means of several successive narrowings.
  • the advantage here is that three-dimensional agglomerates and agglomerate fragments must be split up into a certain size in order to be able to continue through the channel. This ensures that only agglomerate fragments of the desired size are ultimately obtained.
  • a further advantageous embodiment provides that the diameter and/or the width and/or the height of the at least one retaining structure decreases with each splitting of the microfluidic channel containing it.
  • the retention structure has an optimal size in relation to the size of the respective three-dimensional agglomerates and/or agglomerate fragments for the process steps for splitting them. This ensures that the process is quick and efficient and that the three-dimensional agglomerates and/or agglomerate fragments remain viable.
  • At least one of the microfluidic channels includes a trend-setting structure.
  • the cell agglomerates or individual structures and/or agglomerate fragments are focused in the center of the channel and/or in the direction of the at least one retention structure. This speeds up and improves the splitting process.
  • the microfluidic device has a heating device for controlling the temperature of at least one microfluidic channel.
  • a heating device is a device understood, which can heat or cool the at least one microfluidic channel with the at least one retention structure.
  • the advantage here is that in this way an optimal temperature for splitting the three-dimensional agglomerates can be provided.
  • An optimum temperature for the splitting depends, among other things, on the cultivation of the three-dimensional agglomerates, for example.
  • organoids in Matrigel® (Corning)
  • the enzymatic splitting can be further improved by setting an optimal working temperature of the enzyme.
  • the enzyme-containing solution comprises, for example, the enzyme trypsin or TrypLETM Express enzyme (Thermofisher), the optimum temperature of which is 37° Celsius.
  • microfluidic device comprises a device for generating and introducing ultrasound and/or a device for generating and introducing a vibration into at least one microfluidic channel.
  • the ultrasound waves and/or vibrations act on the three-dimensional agglomerates in the at least one microfluidic channel and support and improve the splitting process.
  • the agglomerates to be split can also be acoustically focused with ultrasound.
  • the microfluidic device comprises a retaining element which is designed as a microfilter and/or as a microsieve and/or as a microstructured grid with pores.
  • the pores have a diameter of 2-10 ⁇ m, and preferably 3-6 ⁇ m.
  • the retaining element has a pore diameter smaller than the diameter of the individual structures of the three-dimensional agglomerates.
  • the individual structures and agglomerate fragments can therefore not pass through the retaining element and accumulate on it.
  • the advantage here is that through the retaining element Liquid exchange is made possible, but individual structures and agglomerate fragments are retained so that they cannot leave the microfluidic device unintentionally and are therefore not lost.
  • the pores of the first retaining element have a different pore diameter adapted to the respective application.
  • the microfluidic device has an additional microfluidic channel which, starting from an upper side of the retaining element, opens into a third microfluidic connection.
  • microfluidic device is thus more flexible and complex, allowing for more flexible handling and more complex microfluidic operations to be performed.
  • the microfluidic device comprises at least one valve and/or at least one pump, which in particular can be actuated electrically, so that the microfluidic device can be operated electrically.
  • At least one fluidic connection and/or at least one microfluidic channel and/or at least one reservoir for fluids can be individually closed and opened by means of one or more valves, so that the flow through the microfluidic device can be individually determined. In this way, different options for the supply and removal of media and the flow through the microfluidic channels can be easily implemented.
  • the at least one valve is arranged outside of the microfluidic device.
  • the fluids are supplied and discharged and/or the fluids are conveyed by at least one pump.
  • the at least one pump is a microfluidic pump, for example, so that the complex and expensive fluidic connection of the microfluidic device to an external pump is no longer necessary.
  • the fluidic supply, discharge and conveying processes can be implemented simply and easily, and the microfluidic device can be designed to be space-saving, portable and mobile.
  • the at least one pump is arranged outside of the microfluidic device.
  • the at least one pump is, for example, a syringe pump or a peristaltic pump.
  • the microfluidic device comprises at least one reservoir for a fluid. It is advantageous here that fluids such as media, rinsing liquids, enzyme-containing solutions or staining solutions can be pre-stored in the reservoir. This ensures that these fluids can be supplied quickly and easily.
  • the microfluidic device 10 is accommodated, for example, on a plastic substrate or chip.
  • the subject matter of the invention is also a method for mechanically splitting, in particular to support an enzymatic splitting, of three-dimensional agglomerates into individual structures and agglomerate fragments using the microfluidic device according to the invention with the following steps: a) supplying a first medium with three-dimensional agglomerates via the first fluidic connection b) Conveying the first medium with three-dimensional agglomerates via the first microfluidic channel, the three-dimensional agglomerates being prevented from further passage by the retaining structure. c) pulsatile reciprocation of the first medium with three-dimensional agglomerates so that the three-dimensional agglomerates are mechanically split by friction on the at least one retaining structure.
  • a pulsatile back-and-forth movement of the first medium means that the conveying direction of the first medium through the microfluidic device is temporarily changed by successive intermittent forward and backward conveying of the first medium.
  • the three-dimensional agglomerates come into physical contact with the at least one retaining structure of the at least one first microfluidic channel and rub against it as a result of the pulsatile back and forth movement of the first medium. Furthermore, the three-dimensional agglomerates come into physical contact with the channel inner walls of the at least one first microfluidic channel and rub against them. Additional friction occurs between the three-dimensional agglomerates and the first medium, which is moved back and forth in a pulsatile manner. This picks up a higher speed than the three-dimensional agglomerates, which also leads to washing off or detachment of individual structures or agglomerate fragments on the surface of the three-dimensional agglomerates.
  • the three-dimensional agglomerates themselves also hit against each other, creating further friction.
  • the connections between the individual structures that are responsible for holding the three-dimensional agglomerate together continue to dissolve. More and more individual structures and agglomerate fragments separate from the three-dimensional agglomerates. In this way, the three-dimensional agglomerates are mechanically dissociated.
  • the individual structures themselves are not damaged and remain viable and cultivable. The individual structures and agglomerate fragments can then be seeded and cultivated again and grow into three-dimensional agglomerates.
  • the at least one first retaining structure prefferably be placed in the at least one first microfluidic channel in such a way that three-dimensional agglomerates in the unsplit state cannot pass it any further in the direction of the second fluidic connection. This ensures that only split agglomerate fragments or individual structures and fluids can continue to pass through the microfluidic device.
  • the three-dimensional agglomerates collect in front of the at least one retention structure, as a result of which they are in an optimal starting position for subsequent splitting on the at least one retention structure of the at least one microfluidic channel.
  • the first medium with the three-dimensional agglomerates is moved back and forth through the at least one first microfluidic channel, for example at a flow rate of 10-80 pl/s.
  • the flow rate is, for example, constant or varying, in particular pulsating.
  • step b) is followed by the following step: b′) supplying and conveying a first rinsing liquid via the at least one first microfluidic channel for washing the three-dimensional cell agglomerates.
  • any residues of the first medium are removed by the first rinsing liquid and the three-dimensional agglomerates as well as the microfluidic device are cleaned.
  • a washing step using a first rinsing liquid is advantageous, since this removes proteins of the first medium adhering to the three-dimensional agglomerates, which otherwise, for example, inhibit the enzyme reaction.
  • a further advantageous embodiment provides that the following step takes place after step b) or after step b'): b”) supplying and conveying an enzyme-containing solution via the first microfluidic channel, and in step c) a pulsatile reciprocating movement of the enzyme-containing solution takes place with the three-dimensional agglomerates, so that the enzymatic splitting of the three-dimensional agglomerates is supported mechanically by friction of this at least one retaining structure.
  • the enzyme-containing solution with a splitting effect is first added to the three-dimensional agglomerates, which are then incubated with the enzyme-containing solution, for example for a period of ten minutes.
  • the enzyme-containing solution with the three-dimensional agglomerates is pulsatilely moved back and forth in the at least one first microfluidic channel with the at least one first retaining structure in order to mechanically support the splitting process.
  • the enzymatic and mechanical action separates individual structures and agglomerate fragments from the three-dimensional agglomerates, so that the splitting process is mechanically supported and improved and, in particular, accelerated.
  • steps b) and c), and optionally steps b′) and/or b′′ likewise take place in microfluidic channels which split off directly or indirectly from the first microfluidic channel and have at least one retention structure. It is advantageous here that the splitting processes take place in parallel in each of the split-off microfluidic channels, so that the method for splitting three-dimensional agglomerates can be carried out faster, more efficiently and with a larger quantity of agglomerate fragments to be split.
  • microfluidic channels that split off have a smaller diameter than the parental channels, so that an agglomerate fragment can pass through the microfluidic device the further in the direction of the second fluidic connection, the smaller it is and in each microfluidic channel on its respective Size-adapted optimal split conditions found, such as the size of the retention structure and the dimensions of the respective microfluidic channel.
  • the at least one microfluidic channel is temperature-controlled with the at least one retaining structure.
  • a heating element is integrated into the microfluidic device. The heating or cooling takes place, for example, before and/or during step c) of the microfluidic method, so that the at least one microfluidic channel with the at least one retaining structure has the desired temperature during the splitting process.
  • an enzymatic splitting within the microfluidic device is supported by a mechanical splitting at the at least one retaining structure of the at least one microfluidic channel, then the enzymatic splitting is further improved by setting an optimal working temperature of the enzyme.
  • ultrasound and/or a vibration is introduced into at least one microfluidic channel with the at least one retaining structure.
  • step c) takes place after step c): d) conveying the split individual structures and/or agglomerate fragments via at least one microfluidic channel to a retaining element whose pores have a diameter smaller than the diameter of the split individual structures and agglomerate fragments , so that they are retained.
  • the individual structures and agglomerate fragments cannot pass through the retaining element and accumulate on or in front of the retaining element.
  • the advantage here is that the individual structures and agglomerate fragments are retained and cannot leave the microfluidic device unintentionally and are therefore not lost. Fluids, on the other hand, can pass through the second retaining element, so that an exchange of liquid can take place.
  • the split individual structures and/or agglomerate fragments are conveyed via a second rinsing liquid, which is supplied to the first microfluidic channel and conveyed via it.
  • the advantage here is that, for example, the enzyme-containing solution is removed from the three-dimensional agglomerates and the splitting process is stopped in this way.
  • the split individual structures and/or agglomerate fragments on the retaining element are subjected to an optical and/or microscopic analysis.
  • the advantage here is that the result of the method for splitting the three-dimensional agglomerates can be analyzed directly on the retaining element.
  • the size of the agglomerate fragments can be analyzed, the number of individual structures can be estimated and/or the viability of the individual structures and agglomerate fragments can be analyzed.
  • the individual structures and/or agglomerate fragments are stained, for example on the retaining element, by supplying a staining solution.
  • the three-dimensional agglomerates are stained before being fed into the microfluidic device.
  • step d) e) conveying back the individual structures and/or agglomerate fragments via the at least one microfluidic channel and carrying out the individual structures and/or agglomerate fragments via the first fluidic connection, which serves as an outlet here.
  • microfluidic device has a simple structure here and no additional components such as reservoirs or other channels are required.
  • step d) is followed by the following step: e') supplying a second medium via the second microfluidic connection, which serves as an inlet here, and guiding the second medium via a section of the first microfluidic channel to an underside of the retaining element and Because of this through, so that the retained individual structures and/or agglomerate fragments on a top side of the retaining element are transferred with the second medium into an additional microfluidic channel, which opens into a third fluidic connection, and the individual structures and/or agglomerate fragments are carried out via the third fluidic connection, which serves as an outlet here.
  • the individual structures and agglomerate fragments do not have to pass backwards through the at least one microfluidic channel, but rather are carried out via a third fluidic connection that is closer.
  • the microfluidic method for mechanically splitting three-dimensional agglomerates can be repeated with new three-dimensional agglomerates, which are supplied via the first fluidic connection, while the individual structures and/or agglomerate fragments are removed at regular intervals via the third fluidic connection. This prevents the retaining element from being overloaded or clogged by too many individual structures and/or agglomerate fragments accumulating.
  • the three-dimensional agglomerates are cell agglomerates, especially organoids or spheroids
  • the split individual structures are cells, especially organoid cells or spheroid cells
  • the agglomerate fragments are cell agglomerate fragments, especially organoid fragments or spheroid fragments.
  • cell agglomerates such as organoids or spheroids
  • the subject matter of the invention is also a control unit for controlling the microfluidic method according to the invention, in particular by electrical actuation of the at least one valve and/or the at least one pump.
  • Another subject matter of the invention is a cartridge, in particular a microfluidic cartridge, as described for example in DE102016222072A1 or DE102016222075A1, comprising the microfluidic device according to the invention.
  • Embodiments of the present invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows: 1: the schematic representation of a plan view of a microfluidic device according to the invention in a first embodiment with a first microfluidic channel with a retention structure,
  • Fig. 2b the schematic representation of an accumulation of organoids before
  • step b) of the method according to the invention Retaining structure in step b) of the method according to the invention with the microfluidic device according to FIG. 1,
  • FIG. 3a the schematic representation of a plan view of a microfluidic device according to the invention in a first variant of a second embodiment with splitting microfluidic channels with retention structures
  • FIG. 3b the schematic representation of a side view of the microfluidic device according to the invention in a second variant of a second embodiment with splitting microfluidic channels with retention structures
  • FIG. 4 the schematic representation of a three-dimensional technical drawing of a partial area of a microfluidic device according to the invention in a third embodiment with an additional microfluidic channel
  • 5 the schematic representation of a cartridge according to the invention comprising the microfluidic device according to FIG. 1, and
  • Fig. 6 the schematic representation of a flowchart of a
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the microfluidic device 10 according to the invention for the mechanical splitting of three-dimensional agglomerates.
  • the microfluidic device 10 includes a first fluidic connection la and a second fluidic connection lb.
  • a first microfluidic channel 2 is arranged between the first fluidic connection la and the second fluidic connection lb.
  • the first microfluidic channel 2 has a first retaining structure 3 on which three-dimensional agglomerates can be mechanically split open by friction.
  • the first retaining structure 3 is placed in the first microfluidic channel 2, in particular in the middle, such that the first microfluidic channel 2 cannot be passed any further in the direction of the second fluidic connection 1b for unsplit three-dimensional agglomerates.
  • the first restraint structure 3 is designed, for example, in the form of a pillar or post.
  • the cross section of the first restraint structure 3 is, for example, round or four or more corners.
  • the first microfluidic channel 2 comprises, for example, a plurality of first retaining structures 3. These are arranged, for example, side by side and/or one behind the other, in particular diagonally offset one behind the other, in the first microfluidic channel 2.
  • the first microfluidic channel 2 narrows continuously in the direction of the second fluidic connection 1b.
  • the slimming takes place in stages, for example by means of several successive narrowings.
  • the microfluidic device 10 includes a retaining element 5, which is designed as a microfilter and/or as a microsieve and/or as a microstructured grid with pores.
  • the pores have, for example, a diameter of 2-10 ⁇ m, and preferably 3-6 ⁇ m.
  • the diameter of the pores of the retaining element 5 is thus smaller than the diameter of the agglomerate fragments and individual structures 9, so that they cannot pass the retaining element 5 and are on a top side 5a or accumulate on an underside 5b of the retaining element 5, which is not visible in Figure 1.
  • a section 22 of the first microfluidic channel 2 is arranged between the upper side 5a of the retaining element 5 and the second fluidic connection 1b.
  • the first microfluidic channel 2 has, for example, a directional structure that is not shown in FIG. 1, as shown in FIG. 3a and described in relation thereto. In a further specific embodiment not shown in FIG Introduction of a vibration in the first microfluidic channel 2 on.
  • the microfluidic device 10 comprises at least one valve, not shown in FIG. 1, and/or at least one pump, not shown in FIG. 1, which can be controlled electrically, so that the microfluidic device 10 can be operated electrically.
  • the microfluidic device 10 comprises, for example, at least one reservoir for a fluid, not shown in FIG.
  • FIG. 2a-d A method 500 according to the invention with a microfluidic device 10 according to FIG. 1 is shown in FIG. 2a-d, the section with the first microfluidic channel 2 and a retaining structure 3 being shown in each of FIGS. 2a-d.
  • organoids 7 into organoid cells 9 and/or organoid fragments 8 is described below as an example of the mechanical splitting of three-dimensional agglomerates 7 into individual structures 9 and/or agglomerate fragments 8 .
  • a first medium for example a solution with organoids 7 is fed to the microfluidic device 10 via the first fluidic connection la, which medium is stored upstream in a reservoir, for example.
  • a second step b which is shown in FIG. 2a, the first medium with the organoids 7 is conveyed in the direction of flow 12 via the first microfluidic channel 2.
  • the organoids 7 pass through the first microfluidic channel 2 up to the first retaining structure 3, which prevents the organoids 7 from passing further in the unsplit state due to their size.
  • the organoids 7 gather behind the first restraint structure 3.
  • the first medium passes through the first retaining structure 3 and is finally discharged via the second fluidic connection 1b.
  • the organoids 7 are split purely mechanically without any enzymatic action.
  • step b) is followed by the following step c), which is shown in FIG. 2c.
  • the organoids 7 are mechanically split by pulsatile movement of the first medium back and forth by friction on the first retention structure 3 of the first microfluidic channel 2 .
  • the direction of flow 12 is changed intermittently.
  • organoid cells 9 and/or organoid fragments 8 are separated from the Organoids 7 are split off until the organoids 7 are completely split into organoid cells 9 and/or organoid fragments 8 from a few organoid cells 9, for example from 2-15 organoid cells 9.
  • the first medium is supplied to the microfluidic device 10 via the first fluidic connection 1a, for example. This is conveyed via the first microfluidic channel 2 in the direction of flow 12 to the second fluidic connection 1b, which serves as an outlet here.
  • the organoid cells 9 and organoid fragments 8 are carried along with the first medium and are discharged via the second fluidic connection 1b.
  • a retaining element 5 can be arranged in front of the second fluidic connection lb, which has pores with a diameter larger than the diameter of the organoid cells 9 and smaller organoid fragments 8 of the desired size, so that they can pass through the retaining element 5 .
  • the retaining element 5 can also have a pore diameter smaller than the diameter of the organoid cells 9 and organoid fragments 8, so that they cannot pass through the retaining element 5 and collect in a step d) on its upper side 5a or lower side 5b.
  • the first medium is supplied via the second fluidic connection lb and conveyed through the retaining element 5 to the first fluidic connection la, with the organoid cells 9 and organoid fragments 8 being carried along.
  • the mechanical splitting takes place to support an enzymatic splitting of the organoids 7 into organoid cells 9 and/or organoid fragments 8.
  • the microfluidic device 10 comprises a retaining element 5 with pores smaller than the diameter of the organoid cells 9 and organoid fragments 8, so that they cannot pass the retaining element 5.
  • step b′ takes place after step b).
  • the microfluidic device 10 is supplied with a first rinsing liquid, for example by switching a valve to another reservoir with the first rinsing liquid, not shown in FIGS. 2a-d.
  • the first rinsing liquid is supplied via the first fluidic connection 1a and conveyed via the first microfluidic channel 2 .
  • the organoids 7 are washed by the first rinsing liquid, any residues of the first medium being removed.
  • the first rinsing liquid is, for example, a phosphate-buffered saline solution (PBS for short). Finally, the first rinsing liquid is discharged again via the second fluidic connection 1b.
  • PBS phosphate-buffered saline solution
  • a step b”) which takes place after step b) or after step b′
  • the microfluidic device 10 is supplied with an enzyme-containing solution, for example by switching a valve to another reservoir not shown in Figure 2a-d with the enzyme-containing solution, fed.
  • the enzyme-containing solution is supplied via the first fluidic connection 1a and conveyed via the first microfluidic channel 2 .
  • the enzyme-containing solution includes, for example, the enzyme trypsin or TrypLETM Express enzyme (Thermofisher), which leads to an enzymatic splitting of the organoids 7 .
  • a next step c) the enzymatic splitting of the organoids 7 is supported mechanically by pulsating the enzyme-containing solution with the organoids 7 back and forth on the first retention structure 3 of the first microfluidic channel 2 .
  • organoid cells 9 and/or Organoid fragments 8 are split off from the organoids 7 until the organoids 7 are in particular completely split into organoid cells 9 and/or organoid fragments 8 from a few organoid cells 9, for example from 2-15 organoid cells 9.
  • the first microfluidic channel 2 with the first retention structure 3 is heated, for example, in particular in order to set an ideal temperature for the enzyme effect. Then, for example, a valve is switched to another reservoir, not shown in the figures, with a second rinsing liquid.
  • the second rinsing liquid is fed to the microfluidic device 10 via the first fluidic connection 1a and conveyed via the first microfluidic channel 2 .
  • the enzyme-containing solution is removed by the second rinsing liquid, stopping the splitting process.
  • the organoid cells 9 and organoid fragments 8 are transported with the second rinsing liquid via the first microfluidic channel 2 until they are finally retained on an underside 5b of the retaining element 5 . Only the second rinsing liquid passes through the retaining element 5 and the section 22 of the first microfluidic channel 2 and is finally discharged via the second fluidic connection 1b.
  • a second medium is supplied to the microfluidic device 10 via the second fluidic connection lb in a step e) and conveyed via the first microfluidic channel 2 to the first fluidic connection la, which here serves as an outlet.
  • the second medium passes the section 22 of the first microfluidic channel 2 and the retaining element 5.
  • the organoid cells 9 and organoid fragments 8, which have accumulated on the underside 5b of the retaining element 5, are in step e) with the second medium carried along via the first microfluidic channel 2, so that the organoid cells 9 and organoid fragments 8 are also carried out via the first fluidic connection la.
  • FIG. 3a shows a plan view of a microfluidic device 10 according to the invention in a first variant of the second embodiment.
  • the first microfluidic channel 2 splits into two second microfluidic channels 2a, 2a'.
  • the two second microfluidic channels 2a, 2a' each have a smaller diameter or a smaller width and/or height than the first microfluidic channel 2.
  • Each second microfluidic channel 2a, 2a' includes a second retention structure 3'.
  • the second retention structures 3' are placed centrally in the second microfluidic channels 2a, 2a'.
  • the second microfluidic channels 2a, 2a' in the direction of the second fluidic connection lb cannot be passed further.
  • the second microfluidic channel 2a in turn splits into two third microfluidic channels 2b, 2b' and the second microfluidic channel 2a' splits into two further third microfluidic channels 2b", 2b''".
  • the third microfluidic channels 2b, 2b′, 2b”, 2b′′′′ each have a smaller diameter or a smaller width and/or height than the second microfluidic channels 2a, 2a′.
  • Every third microfluidic channel 2b, 2b′, 2b′′, 2b′′′ comprises a third retention structure 3′′.
  • the third retention structures 3” are placed centrally in the third microfluidic channels 2b, 2b′, 2b”, 2b′′′, so that the third microfluidic channels 2b, 2b′, 2b”, 2b′′′ for agglomerate fragments 8 which are larger than the passage between the channel inner wall of the third microfluidic channel 2b, 2b′, 2b”, 2b′′ and the third retention structure 3′′ in the direction of the second fluidic connection 1b are no longer passable.
  • the third microfluidic channels 2b, 2b′, 2b′′, 2b′′′ each open out on an upper side 5a of the retaining element 5.
  • a microfluidic channel 2, 2a, 2a′ splits into, in particular two, new microfluidic channels 2a, 2a′, 2b, 2b′, 2b”, 2b′” as often as desired.
  • the diameter or the width and/or height of the microfluidic channels 2, 2a, 2a′, 2b, 2b′, 2b”, 2b′′ is constant in each case.
  • the diameter and/or the width and/or the height of the microfluidic channels 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b''” is reduced. continuously in the direction of the second fluidic connection lb.
  • the diameter of the retention structures 3, 3′, 3′′ decreases with each splitting of the microfluidic channel 2, 2a, 2a′, 2b, 2b′, 2b′′, 2b′′′ containing them.
  • the diameter and/or the width and/or the height of the microfluidic channels 2, 2a, 2a′, 2b, 2b′, 2b′′, 2b′′ narrow in stages towards the second Fluidic connection lb, for example by several successive constrictions.
  • the first microfluidic channel 2 includes a directional structure 11 for focusing the three-dimensional agglomerates 7 or individual structures 9 and/or agglomerate fragments 8 in the center of the channel towards the at least one retention structure (3, 3′, 3′′).
  • each microfluidic channel 2, 2a, 2a′, 2b, 2b′, 2b”, 2b′′” has a directional structure 11 .
  • FIG. 3b shows a side view of the microfluidic device according to the invention
  • first microfluidic channel 2 In the side view, the first microfluidic channel 2, the second microfluidic channel 2a, and the third microfluidic channel 2b are visible, which each split off from one another as shown in FIG. 3A.
  • the microfluidic device 10 in the second embodiment is designed to carry out a method 500 for mechanically splitting three-dimensional agglomerates 7 into individual structures 9 and agglomerate fragments 8 and is described below as an example of a mechanical splitting of organoids 7 into organoid cells 9 and organoid Fragments 8 described.
  • the method 500 runs analogously to the method 500 described for FIGS. 2a-d with retaining element 5, the pores of which have a smaller diameter than the diameter of the organoid cells 9 and organoid fragments 8.
  • the microfluidic channels split on.
  • the organoid cells 9 and organoid fragments 8, which were split in step c) on the first retaining structure 3 of the first microfluidic channel 2 pass through the first microfluidic channel 2 and are now divided between the two second microfluidic channels 2a, 2a'.
  • the organoid fragments 8 which are larger than a passage between the channel inner walls and the second retention structure 3' are retained by the second retention structure 3' and accumulate in front of it.
  • the retained organoid fragments 8 are split into organoid cells 9 and small organoid fragments 8.
  • the individual structures 9 and small organoid fragments 8 now fit through the passage between the channel inner walls of the second microfluidic channels 2a, 2a' and the second retaining structure 3' and pass through the second microfluidic channels 2a, 2a' further in the direction of the second fluidic connection 1b.
  • the second microfluidic channels 2a, 2a' branch off further into third microfluidic channels 2b, 2b', 2b", 2b'" with third retention structures 3".
  • the organoid cells 9 and small agglomerate fragments 8 divide into the four third microfluidic channels 2b, 2b', 2b", 2b'".
  • the small agglomerate fragments 8 which are larger than a passage between the channel inner walls of the third microfluidic channels 2b, 2b′, 2b′′, 2b′′′ and the third retention structure 3′′ are retained by the third retention structure 3′′ and accumulate in front of it.
  • the retained small organoid fragments 8 are split up Organoid cells 9 and very small organoid fragments 8.
  • the organoid cells 9 and very small organoid fragments Fragments 8 now fit through the passage between the channel inner walls of the third microfluidic channels 2b, 2b', 2b", 2b''" and the third retention structure 3" and can further in the third microfluidic channels 2b, 2b', 2b", 2b''". happen in the direction of the second fluidic connection lb.
  • the third microfluidic channels 2b, 2b', 2b", 2b'" open on the upper side 5a of the retaining element 5, on which the organoid cells 9 and very small organoid fragments 8 collect.
  • the organoid cells 9 and very small organoid fragments 8 are subjected to an optical analysis.
  • organoid cells 9 and very small organoid fragments 8 are carried out, for example, as described in the second embodiment of the method 500 according to the invention for FIG.
  • FIG. 4 shows a subregion 15 of a microfluidic device 10 according to the invention in a third embodiment.
  • This part area 15 is integrated, for example, in the microfluidic device 10 according to the invention in the first embodiment, which is shown in FIG. 1, or in the microfluidic device 10 according to the invention in the second embodiment, which is shown in FIGS. 3a and 3b.
  • the individual structures 9 and agglomerate fragments 8 retained on the upper side 5a of the retaining element 5 can be carried out alternatively via an additional microfluidic channel 2′, which, starting from an upper side 5a of the retaining element 5, runs in a third fluidic Connection lc opens.
  • the first microfluidic channel 2 adjoining the retaining element 5 in the direction of the first fluidic connection la is closed, for example by a valve that is not shown, and the additional microfluidic channel 2' is open, for example by opening a valve, not shown.
  • a second medium is supplied via the second fluidic connection 1b, which serves as an inlet here.
  • the second medium is conveyed over the region 22 of the first microfluidic channel 2, passes the retaining element 5, flowing through it from an underside 5b of the retaining element 5 onto an upper side 5a.
  • the organoid cells 9 and organoid fragments 8, which have accumulated on the upper side 5a of the retaining element 5, are carried along with the second medium, into the additional microfluidic channel 2' and via the third fluidic connection lc, which is used here as an outlet serves, executed.
  • the executed organoid cells 9 and agglomerate fragments 8 can be analyzed, forwarded, divided and/or seeded again for renewed cultivation of organoids 7.
  • a method 500 for splitting spheroids into spheroid cells and/or spheroid fragments, in particular to support an enzymatic splitting, is carried out analogously to the described embodiments of the method 500 according to the invention for splitting organoids 7 .
  • FIG. 5 shows a cartridge 100 according to the invention, which, by way of example for all embodiments of the microfluidic device 10 according to the invention, includes a microfluidic device 10 in the first embodiment according to FIG.
  • FIG. 6 shows a flowchart with exemplary embodiments of the method 500 according to the invention for mechanical splitting, in particular to support an enzymatic splitting, of three-dimensional agglomerates 7 into individual structures 9 and/or agglomerate fragments 8, for example in connection with those described for FIGS. 1-4 Examples and process steps.

Abstract

Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung (10) zum mechanischen Splitten, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens, von dreidimensionalen Agglomeraten (7) zu Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat-Fragmenten (8) mit einem ersten fluidischen Anschluss (1a) und einem zweiten fluidischen Anschluss (1b) und zumindest einem zwischen dem ersten (1a) und dem zweiten fluidischen Anschluss (1b) angeordneten ersten mikrofluidischen Kanal (2), beschrieben, wobei der erste mikrofluidische Kanal (2) zumindest eine erste Rückhaltestruktur (3) aufweist, an welcher dreidimensionale Agglomerate (7) durch Reibung mechanisch aufsplittbar sind, und wobei die zumindest eine erste Rückhaltestruktur (3) in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal (2) so platziert ist, dass dieser für ungesplittete dreidimensionale Agglomerate (7) in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses (1b) nicht weiter passierbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Splitten dreidimensionaler Agglomerate
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikrofluidische Vorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb derselben sowie auf eine Prozessiereinheit und eine, die mikrofluidische Vorrichtung umfassende Kartusche, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik das Interesse an der Verwendung von dreidimensionalen Agglomeraten, wie beispielsweise von Organoiden oder Sphäroiden für die Erforschung, Diagnose und Behandlung von Krankheiten, wie beispielsweise Tumorerkrankungen, hat in den vergangenen Jahren stark zugenommen, da solche dreidimensionalen Agglomerate zum Beispiel organspezifische Eigenschaften gut abbilden können.
Typischerweise erfolgt deren Handhabung manuell mit Hilfsmitteln wie Pipetten, Reaktionsgefäßen und Laborgeräten. Hier bietet die Mikrofluidik im Vergleich zu herkömmlichen Labortests Vorteile wie beispielsweise geringere benötigte Probenvolumina und Reagenzien, verkürzte Analysezeiten sowie parallel ablaufende Vorgänge.
Bei der Implementierung erforderlicher Prozessschritte in ein mikrofluidischen System gibt es jedoch aufgrund deren Komplexität zahlreiche Herausforderungen, die es zu meistern gilt. Eine dieser Herausforderungen ist beispielsweise die Kultivierung und Vermehrung solcher dreidimensionaler Zellagglomerate in einem mikrofluidischen System.
Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, kurz LoC-Systeme, sind mikrofluidische Systeme, welche Funktionalitäten eines makroskopischen Labors auf einem Kunststoffsubstrat für eine automatisierte Prozessierung unterbringen. Solche Systeme ermöglichen es, biochemische Prozesse weitestgehend oder vollständig automatisiert zu prozessieren.
Lab-on-a-Chip-Systeme umfassen typischerweise zwei Hauptkomponenten. Die erste ist ein Testträger, beispielsweise in Form einer Kartusche, welcher Strukturen und Mechanismen für die Manipulation einer aufgenommenen Probe umfasst, insbesondere passive Komponenten wie Kanäle, Reaktionskammern oder vorgelagerte Reagenzien oder auch aktiven Komponenten wie Ventile, Pumpen oder Mischer. Die zweite Hauptkomponente ist eine Steuereinheit zur Steuerung der mikrofluidischen Abläufe in der Kartusche.
Die WO 2016/183143 Al beschreibt die Herstellung eines Herzzellenorganoids, welches in einer mikrofluidischen Plattform angeordnet ist, um die Wirkung von Medikamenten auf Herzzellen zu untersuchen. Ein Bioreaktor der Plattform weist röhrenförmigen Stopper auf, an denen das Organoid zurückgehalten wird, um es an einer definierten Position festzuhalten.
Aus der WO 2014/179196 Al ist eine Vorrichtung zur Zellkultur von Sphäroiden bekannt. Diese kann als mikrofluidische Vorrichtung ausgeführt sein. Die Sphäroide werden in separaten Vertiefungen der Vorrichtung kultiviert. Die Vertiefungen weisen Rückhaltestrukturen in Form von Kanten auf, welche dazu dienen die Bewegung einer Pipettenspitze zu stoppen, um so eine Zugabe oder Entnahme eines flüssigen Mediums an einer definierten Position in der Nähe des Sphäroids zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Zur Erforschung von Tumorerkrankungen kommen zum Beispiel so genannte Tumor- Organoide und -Sphäroide zum Einsatz. Diese ermöglichen eine sehr gute Reproduktion verschiedener krankhafter Gewebezustände, weswegen sie sich für Medikamententests zur Evaluierung der Wirksamkeit und Dosierung von Medikamenten anbieten. Mittels dieser Beobachtungen kann dann beispielsweise für den einzelnen Erkrankten eine personalisierte medikamentöse Krebstherapie ausgewählt werden, die individuelle Besonderheiten berücksichtigt und so die Effizienz der Therapie optimiert.
Eine Möglichkeit zur Herstellung von Tumor-Organoiden ist die Entnahme einzelner Zellen oder Gewebefragmente aus dem Primärtumor eines Krebspatienten und deren anschließende Kultivierung. Hierbei erfolgt eine Differenzierung und Vermehrung dieser Zellen oder Gewebefragmente, die sich schließlich zu dreidimensionalen Strukturen selbstorganisieren. Die daraus entstehenden Tumor-Organoide sind somit dreidimensionale Zellagglomerate, welche eine ähnliche Zusammensetzung und Architektur aufweisen wie das primäre Tumorgewebe des Patienten. Sie weisen beispielsweise einen Durchmesser von 30 - 500 pm auf.
Sphäroide sind dreidimensionale Zellagglomerate, die durch Aggregation und Organisation einiger Tausend Zellen erzeugt werden können, beispielsweise mit einem Durchmesser von 100 - 800 pm. Im Vergleich zu Organoiden sind Sphäroide weniger komplex und weisen in der Regel nur eine Art Zellen auf.
Um über einen längeren Zeitraum von mehreren Wochen oder Monaten mit Organoiden oder Sphäroiden arbeiten zu können, werden aktuell etablierte Methoden der 3D-Zellkultivierung angewandt.
Hauptprozessschritte hierbei sind die Kultivierung von Organoiden oder Sphäroiden und deren anschließende Expansion Bei der Expansion werden die Organoide oder Sphäroide enzymatisch und/oder mechanisch in Organoid- oder Sphäroid- Fragmente aus einigen wenigen zehn Zellen und in einzelne Organoid-Zellen oder Sphäroid-Zellen gesplittet. Anschließend werden die gesplitteten Organoid- oder Sphäroid- Fragmente und -Zellen neu ausgesät. Auf diese Weise erfolgt eine Vermehrung der Organoide oder Sphäroide.
Unter dem Begriff „Splitten“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung also eine Auflösung von Verbindungen zwischen Einzelstrukturen eines dreidimensionalen Agglomerats, und die dadurch entstehende Dissoziierung des dreidimensionalen Agglomerats in Agglomerat- Fragmente und/oder Einzelstrukturen verstanden.
Unter dem Begriff dreidimensionale Agglomerate werden im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise Zellagglomerate wie Organoide oder Sphäroide verstanden. Bei einem Split- Vorgang erfolgt also beispielsweise eine Auflösung von Verbindungen zwischen Zellen eines Zellagglomerats, und die dadurch entstehende Dissoziierung des Zellagglomerats in multizelluläre Zellagglomerat- Fragmente bzw. einzelne Zellen.
Beim Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten, wie beispielsweise von Organoiden und Sphäroiden, sind mehrere Schritte zur Zugabe und zur Trennung der dreidimensionalen Agglomerate von verschiedenen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Kulturmedien, Enzymlösungen oder Spülflüssigkeiten wie beispielsweise Waschpuffern, mit anschließender Resuspension in weiteren Flüssigkeiten erforderlich, sowie beispielsweise ein Auf- und Abpipettieren der dreidimensionalen Agglomerate zum mechanischen Splitten. Im Labormaßstab werden hierfür die Gefäße gewechselt sowie Zentrifugationsschritte und visuell zu überwachende Pipettiervorgänge realisiert. Diese Prozessschritte zur Kultivierung und Expansion sind sehr arbeits- und zeitintensiv und können nur von ausgebildetem und erfahrenem Fachpersonal in geeignet ausgestatteten Laboren durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung adressiert eine mikrofluidische Implementierung der Prozesse zum Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten, wie beispielsweise von Tumor- Organoiden oder Tumor-Sphäroiden. Erfindungsgemäß werden eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem ersten fluidischen Anschluss und einem zweiten fluidischen Anschluss und zumindest einem zwischen dem ersten und dem zweiten fluidischen Anschluss angeordneten ersten mikrofluidischen Kanal, sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
Dies beruht insbesondere darauf, dass der zumindest eine erste mikrofluidische Kanal der mikrofluidischen Vorrichtung zumindest eine erste Rückhaltestruktur aufweist, an welcher dreidimensionale Agglomerate durch Reibung mechanisch aufsplittbar sind und dass die zumindest eine erste Rückhaltestruktur in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal so platziert ist, dass dieser für ungesplittete dreidimensionale Agglomerate in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses nicht weiter passierbar ist.
Die zumindest eine erste Rückhaltestruktur ist beispielsweise pfeiler- oder pfostenförmig ausgeführt. Der Querschnitt der zumindest einen ersten Rückhaltestruktur ist beispielsweise rund oder vier- oder mehreckig.
Der erste mikrofluidische Kanal umfasst beispielsweise eine oder mehrere erste Rückhaltestrukturen. Im Fall von mehreren ersten Rückhaltestrukturen sind diese beispielsweise nebeneinander und/oder hintereinander, insbesondere schräg versetzt hintereinander, in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal angeordnet.
Vorteilhaft hierbei ist, dass mittels der mikrofluidischen Vorrichtung die Arbeitsschritte zum Splitten von dreidimensionalen Zellagglomeraten automatisiert durchgeführt werden können. Somit wird viel Zeit eingespart aufgrund der Einsparung händischer Arbeitsschritte, verkürzter Analysezeiten und parallel ablaufender Vorgänge. Desweiteren sind diese Arbeitsschritte somit nicht nur von ausgebildetem und erfahrenen Fachpersonal durchführbar, wodurch dieses entlastet wird.
Durch die Automatisierung von Prozessschritten, ist wiederum deren Standardisierung möglich, welche insbesondere für klinische und industrielle Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Wirkstofftestung und personalisierten Medizin große Vorteile bietet.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass die dreidimensionalen Agglomerate und die Agglomerat- Fragmente, sowie die Einzelstrukturen hierbei viabel und kultivierbar bleiben.
Dadurch, dass die Prozessschritte innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung ablaufen, ist zudem die Gefahr von unerwünschten bzw. problematischen Verunreinigungen der Probe reduziert.
Es ist vorteilhaft, dass die zumindest eine erste Rückhaltestruktur in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal so platziert ist, dass dieser für dreidimensionalen Agglomerate im ungesplitteten Zustand in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses nicht weiter passierbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur gesplittete Agglomerat- Fragmente und/oder Einzelstrukturen sowie Fluide die mikrofluidische Vorrichtung weiter passieren können. Zudem ist es vorteilhaft, dass sich die dreidimensionalen Agglomerate vor der zumindest einen Rückhaltestruktur ansammeln, wodurch sie sich an einer optimalen Ausgangsposition für ein nachfolgendes Splitten an der zumindest einen Rückhaltestruktur des zumindest einen mikrofluidischen Kanals befinden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der mikrofluidischen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der mikrofluidische Vorrichtung spaltet sich der zumindest eine erste mikrofluidische Kanal in, insbesondere zwei, zweite mikrofluidische Kanäle mit je einem kleineren Durchmesser oder einer geringeren Breite und/oder Höhe als der erste mikrofluidische Kanal auf. Der fluidische Widerstand der zweiten mikrofluidischen Kanäle ist hierbei im Wesentlichen gleich, um eine gleichmäßige Verteilung der Strömung sowie der Organoid-Zellen und/oder Organoid-Agglomerate auf die zweiten mikrofluidischen Kanäle zu gewährleisten.
Jeder zweite mikrofluidische Kanal umfasst zumindest eine zweite Rückhaltestruktur. Die zweite Rückhaltestruktur ist in dem zweiten mikrofluidischen Kanal so platziert, dass dieser für Agglomerat- Fragmente, welche größer sind als der Durchgang zwischen der Kanalinnenwand des zweiten mikrofluidischen Kanals und der zweiten Rückhaltestruktur und/oder welche größer sind als der Durchgang zwischen zwei oder mehreren zweiten Rückhaltestrukturen, in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses, nicht weiter passierbar ist. Nach diesem Muster kann sich beliebig oft ein mikrofluidischer Kanal in, insbesondere zwei, neue mikrofluidische Kanäle mit Rückhaltestruktur aufspalten. Vorteilhaft hierbei ist, dass die einzelnen Verfahrensschritte zum Splitten der dreidimensionalen Agglomerate parallel in jedem der abgespaltenen mikrofluidischen Kanäle erfolgen, sodass das Verfahren schneller, effizienter und mit einer größeren Menge an zu splittenden Agglomerat- Fragmenten durchgeführt werden kann. Zudem vorteilhaft ist, dass die sich abspaltenden mikrofluidischen Kanäle einen kleineren Durchmesser aufweisen als die parentalen Kanäle, sodass ein Agglomerat- Fragment die mikrofluidische Vorrichtung umso weiter in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb passieren kann, desto kleiner es ist und in jedem mikrofluidischen Kanal jeweils auf dessen Größe angepasste optimale Split-Bedingungen vorfindet, wie beispielsweise die Größe der Rückhaltestruktur und die Abmessungen des jeweiligen mikrofluidischen Kanals. Der Querschnitt der mikrofluidischen Kanäle ist beispielsweise rechteckig oder quadratisch, wobei die Ecken abgerundet ausgeführt sein können. Alternativ ist der Querschnitt der mikrofluidischen Kanäle beispielsweise rund oder oval.
Desweiteren kann der erste mikrofluidische Kanal in einer Ausführungsform mäanderförmig ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verschlankt sich zumindest ein mikrofluidischer Kanal, insbesondere kontinuierlich, in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses. In einer Ausführung verschlanken sich also beispielsweise der erste mikrofluidische Kanal, sowie alle sich direkt oder indirekt von diesem aufspaltenden mikrofluidischen Kanäle. Die Verschlankung kann hierbei auch stufenweise erfolgen, beispielsweise durch mehrere aufeinanderfolgende Verengungen.
Vorteilhaft hierbei ist, dass dreidimensionale Agglomerate und Agglomerat- Fragmente in eine gewisse Größe aufgesplittet sein müssen, um den Kanal weiter passieren zu können. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass schlussendlich nur Agglomerat- Fragmente mit der gewünschten Größe erhalten werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Durchmesser und/oder die Breite und/oder die Höhe der zumindest einen Rückhaltestruktur sich mit jeder Aufspaltung des diese beinhaltenden mikrofluidischen Kanals verringert.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Rückhaltestruktur so jeweils eine optimale Größe in Bezug auf die Größe der jeweiligen dreidimensionalen Agglomerate und/oder Agglomerat- Fragmente hat für die Verfahrensschritte zum Splitten dieser. So wird sichergestellt, dass das Verfahren schnell und effizient erfolgt, und die dreidimensionalen Agglomerate und/oder Agglomerat- Fragmente viabel bleiben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst zumindest einer der mikrofluidischen Kanäle eine richtungsweisende Struktur.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Zellagglomerate oder Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente in die Kanalmitte und/oder in Richtung der zumindest einen Rückhaltestruktur fokussiert werden. Hierdurch wird der Split-Vorgang beschleunigt und verbessert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die mikrofluidische Vorrichtung eine Heizeinrichtung aufweist zur Temperierung zumindest eines mikrofluidischen Kanals. Unter einer Heizeinrichtung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung verstanden, welche den zumindest einen mikrofluidischen Kanal mit der zumindest einen Rückhaltestruktur beheizen oder kühlen kann.
Vorteilhaft hierbei ist, dass auf diese Weise eine optimale Temperatur für das Splitten der dreidimensionalen Agglomerate bereitgestellt werden kann.
Eine optimale Temperatur für das Splitten hängt unter anderem beispielsweise von der Kultivierung der dreidimensionalen Agglomerate ab. Bei einer Kultivierung von Organoiden in Matrigel® (Corning) ist es beispielsweise vorteilhaft zumindest einen mikrofluidischen Kanal mit zumindest einer Rückhaltestruktur zu kühlen, da sich Matrigel bei Temperaturen von circa 4°C verflüssigt.
In einer Ausführungsform, in welcher ein enzymatisches Splitten der dreidimensionalen Agglomerate durch ein mechanisches Splitten an der zumindest einen Rückhaltestruktur des zumindest einen mikrofluidischen Kanals unterstützt wird, kann das enzymatische Splitten durch Einstellen einer optimalen Wirk-Temperatur des Enzyms noch weiter verbessert werden.
Bei einem enzymatischen Splitten von Organiden und/oder Sphäroiden umfasst die enzymhaltige Lösung beispielsweise das Enzym Trypsin oder TrypLE™ Express Enzym (Thermofisher), dessen optimale Wirk-Temperatur bei 37° Celsius liegt.
Eine Alternative oder zusätzlich Ausführungsform sieht vor, dass die mikrofluidische Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung von Ultraschall und/oder eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung einer Vibration in zumindest einen mikrofluidischen Kanal umfasst.
Vorteilhaft bei der Einleitung von Ultraschall und/oder einer Vibration ist, dass die Ultraschallwellen und/oder Vibrationen auf die dreidimensionalen Agglomerate in dem zumindest einen mikrofluidischen Kanal einwirken und den Split-Vorgang unterstützen und verbessern. Desweiteren können die zu splittenden Agglomerate mit Ultraschall auch akustisch fokussiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die mikrofluidische Vorrichtung ein Rückhalteelement, welches als Mikrofilter und/oder als Mikrosieb und/oder als mikrostrukturiertes Gitter mit Poren ausgestaltet ist. Die Poren weisen insbesondere einen Durchmesser von 2-10 pm, und bevorzugt von 3-6 pm auf.
Das Rückhalteelement weist einen Porendurchmesser kleiner des Durchmessers der Einzelstrukturen der dreidimensionalen Agglomerate auf. Die Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente können das Rückhalteelement somit nicht passieren und sammeln sich auf diesem an. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch das Rückhalteelement ein Flüssigkeitsaustausch ermöglicht ist, Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente jedoch festgehalten werden, sodass sie die mikrofluidische Vorrichtung nicht ungewollt verlassen können und somit nicht verloren gehen.
Alternativ weisen die Poren des ersten Rückhalteelements einen anderen, auf die jeweilige Anwendung angepassten Porendurchmesser auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die mikrofluidische Vorrichtung einen zusätzlichen mikrofluidischen Kanal auf, welcher ausgehend von einer Oberseite des Rückhalteelements in einem dritten mikrofluidischen Anschluss mündet.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente somit separat über den zusätzlichen mikrofluidischen Kanal transportiert werden können und über den dritten mikrofluidischen Anschluss ausgeführt werden können. Die mikrofluidische Vorrichtung ist somit flexibler und komplexer, was eine flexiblere Handhabung und die Durchführung komplexerer mikrofluidischer Vorgänge erlaubt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die mikrofluidische Vorrichtung zumindest ein Ventil und/oder zumindest eine Pumpe, welche insbesondere elektrisch ansteuerbar sind, sodass die mikrofluidische Vorrichtung elektrisch betreibbar ist.
Vorteilhaft hierbei ist, dass mittels eines oder mehreren Ventilen zumindest ein fluidischer Anschluss und/oder zumindest ein mikrofluidischer Kanal und/oder zumindest ein Reservoir für Fluide individuell schließ- und öffenbar ist, sodass der Fluss durch die mikrofluidische Vorrichtung individuell festlegbar ist. Auf diese Weise sind verschiedene Möglichkeiten der Zu- und Abführung von Medien sowie des Durchflusses durch die mikrofluidischen Kanäle einfach realisierbar.
In einer alternativen Ausführungsform ist das zumindest eine Ventil außerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Zu- und Abführen der Fluide und/oder das Fördern der Fluide durch zumindest eine Pumpe. Bei der zumindest einen Pumpe handelt es sich beispielsweise um eine mikrofluidischen Pumpe, sodass die komplexe und aufwändige fluidische Verbindung der mikrofluidischen Vorrichtung mit einer externen Pumpe entfällt. Auf diese Weise können die fluidischen Zu-, Abführ- und Förderprozesse einfach und unkompliziert realisiert werden und die mikrofluidische Vorrichtung platzsparend, portabel und mobil ausgeführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die zumindest eine Pumpe außerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet. Die zumindest eine Pumpe ist beispielsweise eine Spritzenpumpe oder eine peristaltische Pumpe. Desweiteren ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, wenn die mikrofluidische Vorrichtung zumindest ein Reservoir für ein Fluid umfasst. Vorteilhaft hierbei ist, dass in dem Reservoir Fluide wie beispielsweise Medien, Spülflüssigkeiten, enzymhaltige Lösungen oder Färbelösungen vorlagerbar sind. So ist eine schnelle und einfache Zuführung dieser Fluide sichergestellt.
Die mikrofluidische Vorrichtung 10 ist beispielsweise auf einem Kunststoffsubstrat bzw. Chip untergebracht.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum mechanischen Splitten, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens, von dreidimensionalen Agglomeraten zu Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmenten mittels der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung mit folgenden Schritten: a) Zuführen eines ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten über den ersten fluidischen Anschluss b) Fördern des ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten über den ersten mikrofluidischen Kanal, wobei die dreidimensionalen Agglomerate durch die Rückhaltestruktur am weiteren Durchtritt gehindert werden. c) pulsatiles Hin- und Herbewegen des ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten sodass die dreidimensionalen Agglomerate mechanisch durch Reibung an der zumindest einen Rückhaltestruktur gesplittet werden.
Mit einem pulsatiles Hin- und Herbewegen des ersten Mediums ist gemeint, dass die Förderrichtung des ersten Mediums durch die mikrofluidische Vorrichtung temporär gewechselt wird durch aufeinanderfolgendes stoßweises Vorwärts- und Rückwärtsfördern des ersten Mediums.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die dreidimensionalen Agglomerate durch das pulsatile Hin- und Herbewegen des ersten Mediums mit der zumindest einen Rückhaltestruktur des zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanals in physischen Kontakt kommen und an dieser reiben. Desweiteren kommen die dreidimensionalen Agglomerate mit den Kanalinnenwänden des zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanals in physischen Kontakt und reiben an diesen. Zusätzliche Reibung entsteht zwischen den dreidimensionalen Agglomeraten und dem pulsatil hin- und herbewegten ersten Mediums. Dieses nimmt eine höhere Geschwindigkeit auf als die dreidimensionalen Agglomerate, was auch zu einem Abwaschen oder Ablösen von Einzelstrukturen oder Agglomerat- Fragmenten an der Oberfläche der dreidimensionalen Agglomerate führt. Zudem treffen auch die dreidimensionalen Agglomerate selbst aufeinander, wodurch eine weitere Reibung erzeugt wird. Durch diese Reibungsvorgänge lösen sich die Verbindungen zwischen den Einzelstrukturen, die für den Zusammenhalt des dreidimensionalen Agglomerats verantwortlich sind, immer weiter auf. Es spalten sich immer mehr Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente von den dreidimensionalen Agglomeraten ab. Auf diese Weise werden die dreidimensionalen Agglomerate mechanisch dissoziiert. Hierbei werden die Einzelstrukturen selbst nicht beschädigt und bleiben viabel und kultivierbar. Die Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmenten können dann neu ausgesät und kultiviert werden und zu dreidimensionalen Agglomeraten heranwachsen.
Es ist desweiteren vorteilhaft die Arbeitsschritte zum Splitten von dreidimensionalen Zellagglomeraten automatisiert mittels des vorgeschlagenen mikrofluidischen Verfahrens durchzuführen. Auf diese Weise wird viel Zeit eingespart aufgrund des Wegfalls händischer Arbeitsschritte, verkürzter Analysezeiten und parallel ablaufender Vorgänge. Desweiteren sind diese Arbeitsschritte nicht nur von ausgebildetem und erfahrenen Fachpersonal durchführbar, wodurch dieses entlastet wird.
Durch die Automatisierung von Prozessschritten, ist wiederum deren Standardisierung möglich, welche insbesondere für klinische und industrielle Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Wirkstofftestung und personalisierten Medizin große Vorteile bietet.
Dadurch, dass die Prozessschritte innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung ablaufen, ist zudem die Gefahr von unerwünschten bzw. problematischen Verunreinigungen der Probe reduziert.
Es ist vorteilhaft, dass die zumindest eine erste Rückhaltestruktur in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal so platziert ist, dass dieser für dreidimensionalen Agglomerate im ungesplitteten Zustand in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses nicht weiter passierbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur gesplittete Agglomerat- Fragmente oder Einzelstrukturen sowie Fluide die mikrofluidische Vorrichtung weiter passieren können. Zudem ist es vorteilhaft, dass sich die dreidimensionalen Agglomerate vor der zumindest einen Rückhaltestruktur ansammeln, wodurch sie sich an einer optimalen Ausgangsposition für ein nachfolgendes Splitten an der zumindest einen Rückhaltestruktur des zumindest einen mikrofluidischen Kanals befinden.
Das erste Medium mit den dreidimensionalen Agglomeraten wird beispielsweise mit einer Flussrate von 10 - 80 pl/s durch den zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanals hin- und herbewegt. Hierbei ist die Flussrate beispielsweise konstant oder variierend, insbesondere pulsierend. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach Schritt b) folgender Schritt: b') Zuführen und Fördern einer ersten Spülflüssigkeit über den zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal zum Waschen der dreidimensionalen Zellagglomerate.
Durch die erste Spülflüssigkeit werden eventuelle Rückstände des ersten Mediums entfernt und die dreidimensionalen Agglomerate sowie auch die mikrofluidische Vorrichtung gereinigt. In einer Ausführungsform, in welcher das mechanische Splitten der dreidimensionalen Agglomerate zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens ausgeführt wird, ist ein Waschschritt mittels einer ersten Spülflüssigkeit vorteilhaft, da hierdurch an den dreidimensionalen Agglomeraten anhaftende Proteine des ersten Mediums entfernt werden, welche sonst beispielsweise die Enzymreaktion hemmen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass nach Schritt b) oder nach Schritt b') folgender Schritt erfolgt: b”) Zuführen und Fördern einer enzymhaltigen Lösung über den ersten mikrofluidischen Kanal, und wobei in Schritt c) ein pulsatiles Hin- und Herbewegen der enzymhaltigen Lösung mit den dreidimensionalen Agglomeraten erfolgt, sodass das enzymatische Splitten der dreidimensionalen Agglomerate mechanisch durch Reibung dieser an der zumindest einen Rückhaltestruktur unterstützt wird.
Hierzu wird beispielsweise zuerst die enzymhaltige Lösung mit splittender Wirkung zu den dreidimensionalen Agglomeraten gegeben, welche dann mit der enzymhaltigen Lösung, beispielsweise für einen Zeitraum von zehn Minuten, inkubiert werden. Während der Inkubation oder anschließend erfolgt das pulsatile Hin- und Herbewegen der enzymhaltigen Lösung mit den dreidimensionalen Agglomeraten in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal mit der zumindest einen ersten Rückhaltestruktur, um den Split- Vorgang mechanisch zu unterstützen. Durch das enzymatische und mechanische Einwirken lösen sich Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente von den dreidimensionalen Agglomeraten ab, sodass der Split-Vorgang mechanisch unterstützt und verbessert sowie insbesondere beschleunigt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgen die Schritte b) und c), und optional die Schritte b') und/oder b”) ebenfalls in sich vom ersten mikrofluidischen Kanal direkt oder indirekt abspaltenden mikrofluidischen Kanälen mit zumindest einer Rückhaltestruktur. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Split-Vorgänge parallel in jedem der abgespaltenen mikrofluidischen Kanäle erfolgen, sodass das Verfahren zum Splitten dreidimensionaler Agglomerate schneller, effizienter und mit einer größeren Menge an zu splittenden Agglomerat- Fragmenten durchgeführt werden kann. Zudem vorteilhaft ist, dass die sich abspaltenden mikrofluidischen Kanäle einen kleineren Durchmesser aufweisen als die parentalen Kanäle, sodass ein Agglomerat- Fragment die mikrofluidische Vorrichtung umso weiter in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses passieren kann, desto kleiner es ist und in jedem mikrofluidischen Kanal jeweils auf dessen Größe angepasste optimale Split- Bedingungen vorfindet, wie beispielsweise die Größe der Rückhaltestruktur und die Abmessungen des jeweiligen mikrofluidischen Kanals.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der zumindest eine mikrofluidische Kanal mit der zumindest einen Rückhaltestruktur temperiert. Hierzu ist beispielsweise ein Heizelement in die mikrofluidische Vorrichtung integriert. Die Beheizung oder Kühlung erfolgt beispielsweise vor und/oder während Schritt c) des mikrofluidischen Verfahrens, sodass der zumindest eine mikrofluidische Kanal mit der zumindest einen Rückhaltestruktur, während des Split- Vorgangs die gewünschte Temperatur aufweist.
Wird ein enzymatisches Splitten innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung durch ein mechanisches Splitten an der zumindest einen Rückhaltestruktur des zumindest einen mikrofluidischen Kanals unterstützt, so wird das enzymatische Splitten durch Einstellen einer optimalen Wirk-Temperatur des Enzyms noch weiter verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird Ultraschall und/oder eine Vibration in zumindest einen mikrofluidischen Kanal mit der zumindest einen Rückhaltestruktur eingeleitet.
Vorteilhaft bei der Einleitung von Ultraschall und/oder einer Vibration ist, dass diese auf die dreidimensionalen Agglomerate in dem zumindest einen mikrofluidischen Kanal einwirken und den Split-Vorgang unterstützten und verbessern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt nach Schritt c) folgender Schritt: d) Fördern der gesplitteten Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente über zumindest einen mikrofluidischen Kanal bis zu einem Rückhalteelement, dessen Poren einen Durchmesser kleiner des Durchmessers der gesplitteten Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente aufweist, sodass diese zurückgehalten werden. Die Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente können das Rückhalteelement nicht passieren und sammeln sich auf oder vor dem Rückhalteelement an. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente festgehalten werden und die mikrofluidische Vorrichtung nicht ungewollt verlassen können und somit nicht verloren gehen. Fluide hingegen können das zweite Rückhalteelement passieren, sodass ein Flüssigkeitsaustausch erfolgen kann.
Hierbei ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, wenn das Fördern der gesplitteten Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente über eine zweiten Spülflüssigkeit erfolgt, welche dem ersten mikrofluidischen Kanal zugeführt und über diesen gefördert wird.
Vorteilhaft hierbei ist, dass beispielsweise die enzymhaltige Lösung von den dreidimensionalen Agglomeraten entfernt wird und der Split-Vorgang auf diese Weise gestoppt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gesplitteten Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente auf dem Rückhalteelement einer optischen und/oder mikroskopischen Analyse unterzogen werden.
Vorteilhaft hierbei ist, dass so das Ergebnis des Verfahrens zum Splitten der dreidimensionalen Agglomerate direkt auf dem Rückhalteelement analysiert werden kann. Es kann beispielsweise die Größe der Agglomerat- Fragmente analysiert werden, die Menge der Einzelstrukturen abgeschätzt werden und/oder die Viabilität der Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente analysiert werden. Hierzu werden die Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente beispielsweise auf dem Rückhalteelement angefärbt durch Zuführen einer Färbelösung. Alternativ werden die dreidimensionalen Agglomerate angefärbt, bevor sie der mikrofluidischen Vorrichtung zugeführt werden.
Weiterhin ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, wenn nach Schritt d) folgender Schritt erfolgt: e) Rückfördern der Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente über den zumindest einen mikrofluidischen Kanal und Ausführen der Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente über den ersten fluidischen Anschluss, welcher hier als Auslass dient.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die mikrofluidische Vorrichtung hier einen einfachen Aufbau aufweist und keine zusätzlichen Bauteile wie beispielsweise Reservoire oder weitere Kanäle benötigt werden.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform erfolgt nach Schritt d) folgender Schritt: e') Zuführen eines zweiten Mediums über den zweiten mikrofluidischen Anschluss, welcher hier als Einlass dient, und Führen des zweiten Mediums über einen Abschnitt des ersten mikrofluidischen Kanals zu einer Unterseite des Rückhalteelements und durch dieses hindurch, sodass die rückgehaltenen Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente auf einer Oberseite des Rückhalteelements mit dem zweiten Medium in einen zusätzlichen mikrofluidischen Kanal überführt werden, welcher in einen dritten fluidischen Anschluss mündet, und Ausführen der Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente über den dritten fluidischen Anschluss, welcher hier aus Auslass dient.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Einzelstrukturen und Agglomerat- Fragmente den zumindest einen mikrofluidischen Kanal nicht rückwärts passieren müssen, sondern über einen näher gelegenen dritten fluidischen Anschluss ausgeführt werden. Dadurch kann das mikrofluidische Verfahren zum mechanischen Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten wiederholt werden mit neuen dreidimensionalen Agglomeraten, welche über den ersten fluidischen Anschluss zugeführt werden, während über den dritten fluidischen Anschluss in regelmäßigen Abständen die Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente abgeführt werden. Damit wird eine Überlastung oder Verstopfung des Rückhalteelements durch eine zu große Anzahl sich ansammelnder Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente verhindert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die dreidimensionalen Agglomerate Zellagglomerate, insbesondere Organoide oder Sphäroide und die gesplitteten Einzelstrukturen sind Zellen, insbesondere Organoid-Zellen oder Sphäroid-Zellen und die Agglomerat- Fragmente sind Zellagglomerat- Fragmente, insbesondere Organoid- Fragmente oder Sphäroid- Fragmente.
Vorteilhaft bei der Verwendung von Zellagglomeraten wie beispielsweise von Organoiden oder Sphäroiden ist, dass deren Viabilität gut erhalten bleibt und somit weitere Kultivierungsund Expansionsschritte möglich sind.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Steuereinheit zur Steuerung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Verfahrens, insbesondere durch eine elektrische Aktuation des zumindest einen Ventils und/oder der zumindest einen Pumpe.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Kartusche, insbesondere eine mikrofluidische Kartusche, wie beispielsweise in DE102016222072A1 oder DE102016222075A1 beschrieben, umfassend die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform mit einem ersten mikrofluidischen Kanal mit Rückhaltestruktur,
Fig. 2a: die schematische Darstellung einer Förderung dreidimensionaler Agglomerate in einem Schritts b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Figur 1,
Fig. 2b: die schematische Darstellung einer Ansammlung von Organoiden vor der
Rückhaltestruktur in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Figur 1,
Fig. 2c: die schematische Darstellung eines Splittens dreidimensionaler Agglomerate in einem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Figur 1,
Fig. 2d: die schematische Darstellung eines Ausführens gesplitteter Einzelstrukturen und/oder Agglomerat- Fragmente in einem Schritt e”) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 3a: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung in einer ersten Variante einer zweiten Ausführungsform mit sich aufspaltenden mikrofluidischen Kanälen mit Rückhaltestrukturen,
Figur 3b: die schematische Darstellung einer seitlichen Ansicht auf die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung in einer zweiten Variante einer zweiten Ausführungsform mit sich aufspaltenden mikrofluidischen Kanälen mit Rückhaltestrukturen,
Figur 4: die schematische Darstellung einer dreidimensionalen technischen Zeichnung eines Teilbereichs einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform mit einem zusätzlichen mikrofluidischen Kanal, Fig. 5: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kartusche umfassend die mikrofluidische Vorrichtung gemäß Figur 1, und
Fig. 6: die schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 10 zum mechanischen Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten dargestellt. Die Mikrofluidische Vorrichtung 10 umfasst einen ersten fluidischen Anschluss la und einen zweiten fluidischen Anschluss lb. Zwischen dem ersten fluidischen Anschluss la und dem zweiten fluidischen Anschluss lb ist ein erster mikrofluidischer Kanal 2 angeordnet.
Der erste mikrofluidische Kanal 2 weist eine erste Rückhaltestruktur 3 auf, an welcher dreidimensionale Agglomerate durch Reibung mechanisch aufsplittbar sind.
Die erste Rückhaltestruktur 3 ist in dem ersten mikrofluidischen Kanal 2 so platziert, insbesondere mittig, dass der erste mikrofluidische Kanal 2 für ungesplittete dreidimensionale Agglomerate in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb nicht weiter passierbar ist.
Die erste Rückhaltestruktur 3 ist beispielsweise pfeiler- oder pfostenförmig ausgeführt. Der Querschnitt der ersten Rückhaltestruktur 3 ist beispielsweise rund oder vier- oder mehreckig. In einer nicht in Figur 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der erste mikrofluidische Kanal 2 beispielsweise mehrere erste Rückhaltestrukturen 3. Diese sind beispielsweise nebeneinander und/oder hintereinander, insbesondere schräg versetzt hintereinander, in dem ersten mikrofluidischen Kanal 2 angeordnet.
Der erste mikrofluidische Kanal 2 verschlankt sich kontinuierlich in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb. In einer nicht in Figur 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Verschlankung stufenweise, beispielsweise durch mehrere aufeinanderfolgende Verengungen.
Optional umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 10 ein Rückhalteelement 5, welches als Mikrofilter und/oder als Mikrosieb und/oder als mikrostrukturiertes Gitter mit Poren ausgestaltet ist. Die Poren weisen beispielsweise einen Durchmesser von 2-10 pm, und bevorzugt von 3-6 pm auf. Der Durchmesser der Poren des Rückhalteelements 5 ist somit kleiner als der Durchmesser der Agglomerat- Fragmente und Einzelstrukturen 9, sodass diese das Rückhalteelement 5 nicht passieren können und sich auf einer Oberseite 5a oder auf einer Unterseite 5b des Rückhalteelements 5, welche in Figur 1 nicht sichtbar ist, ansammeln.
Zwischen der Oberseite 5a des Rückhalteelements 5 und dem zweiten fluidischen Anschluss lb ist ein Abschnitt 22 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 angeordnet.
Der erste mikrofluidische Kanal 2 weist beispielsweise eine nicht in Figur 1 dargestellte richtungsweisende Struktur auf, wie in Figur 3a dargestellt und zu dieser beschrieben. In einer weiteren nicht in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, weist die mikrofluidische Vorrichtung 10 eine Heizeinrichtung auf zur Temperierung des ersten mikrofluidischen Kanals 2. alternativ oder zusätzlich weist die mikrofluidische Vorrichtung 10 eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung von Ultraschall oder/oder eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung einer Vibration in den ersten mikrofluidischen Kanal 2 auf.
Zudem umfasst sie mikrofluidische Vorrichtung 10 in einer Ausführungsform zumindest ein nicht in Figur 1 dargestelltes Ventil und/oder zumindest eine nicht in Figur 1 dargestellte Pumpe, welche elektrisch ansteuerbar sind, sodass die mikrofluidische Vorrichtung 10 elektrisch betreibbar ist. Desweiteren umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 10 beispielsweise zumindest ein nicht in Figur 1 dargestelltes Reservoir für ein Fluid.
In Figur 2a-d ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 500 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 dargestellt, wobei in den Figuren 2a-d jeweils der Ausschnitt mit dem ersten mikrofluidischen Kanal 2 und einer Rückhaltestruktur 3 gezeigt ist.
Im Folgenden wird beispielhaft für das mechanische Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten 7 in Einzelstrukturen 9 und/oder Agglomerat- Fragmente 8 das mechanische Splitten von Organoiden 7 in Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 beschrieben.
In einem ersten Schritt a), welcher nicht in den Figuren 2a-d dargestellt ist, wird der mikrofluidischen Vorrichtung 10 ein erstes Medium, beispielsweise eine Lösung mit Organoiden 7 über den ersten fluidischen Anschluss la zugeführt, welches beispielsweise in einem Reservoir vorgelagert ist.
In einem zweiten Schritt b), welcher in Figur 2a dargestellt ist, wird das erste Medium mit den Organoiden 7 in Strömungsrichtung 12 über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 gefördert. Hierbei passieren die Organoide 7 den ersten mikrofluidischen Kanal 2 bis zu der ersten Rückhaltestruktur 3, welche die Organoide 7 im ungesplitteten Zustand aufgrund ihrer Größe am weiteren Durchtritt hindert.
Wie in Figur 2b dargestellt, sammeln sich die Organoide 7 hinter der ersten Rückhaltestruktur 3 an. Das erste Medium hingegen passiert die erste Rückhaltestruktur 3 und wird schließlich über den zweiten fluidischen Anschluss lb abgeführt.
In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 werden die Organoide 7 rein mechanisch ohne enzymatisches Einwirken gesplittet.
Hier erfolgt nach Schritt b) folgender Schritt c), welcher in Figur 2c dargestellt ist. Die Organoide 7 werden mechanisch durch pulsatiles Hin- und Herbewegen des ersten Mediums durch Reibung an der ersten Rückhaltestruktur 3 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 gesplittet. Die Strömungsrichtung 12 wird hierbei stoßweise gewechselt. Durch die Reibung der Organoide 7 an der ersten Rückhaltestruktur 3 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 und durch eine Reibung der Organoide 7 aneinander, an dem diese beinhaltenden ersten Medium, sowie an den Kanalinnenwänden werden Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 von den Organoiden 7 abgespaltet bis die Organoide 7 insbesondere vollständig in Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 aus einigen wenigen Organoid-Zellen 9, beispielsweise aus 2-15 Organoid-Zellen 9, aufgesplittet sind.
Zum Ausführen der gesplitteten Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 gibt es verschiedene Möglichkeiten.
In einem Schritt e”), welcher in Figur 2d dargestellt ist, wird der mikrofluidischen Vorrichtung 10 über den ersten fluidischen Anschluss la beispielsweise das erste Medium zugeführt. Dieses wird über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 in Strömungsrichtung 12 gefördert bis zu dem zweiten fluidischen Anschluss lb, welcher hier als Auslass dient. Die Organoid- Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 werden mit dem ersten Medium mitgeführt und über den zweiten fluidischen Anschluss lb ausgeführt. Hierbei kann vor dem zweiten fluidischen Anschluss lb ein Rückhalteelement 5 angeordnet sein, welches Poren mit einem Durchmesser größer der Durchmesser der Organoid-Zellen 9 und kleinerer Organoid- Fragmente 8 gewünschter Größe ist, sodass diese das Rückhalteelement 5 passieren können. Alternativ kann das Rückhalteelement 5 auch einen Porendurchmesser kleiner des Durchmessers der Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 aufweisen, sodass diese das Rückhalteelement 5 nicht passieren können und sich in einem Schritt d) auf dessen Oberseite 5a oder Unterseite 5b ansammeln. Über den zweiten fluidischen Anschluss lb wird in einem Schritt e) beispielsweise das erste Medium zugeführt und durch das Rückhalteelement 5 bis zum ersten fluidischen Anschluss la gefördert, wobei die Organoid- Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 mitgeführt werden. In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 erfolgt das mechanische Splitten zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens der Organoide 7 zu Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmenten 8. Die mikrofluidische Vorrichtung 10 umfasst ein Rückhalteelement 5 mit Poren kleiner des Durchmessers der Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8, sodass diese das Rückhalteelement 5 nicht passieren können. Wenn sich die Organoide 7 wie in Figur 2b dargestellt hinter der ersten Rückhaltestruktur 3 angesammelt haben erfolgt nach Schritt b) der Schritt b'). In Schritt b') wird der mikrofluidischen Vorrichtung 10 eine erste Spülflüssigkeit, beispielsweise durch Umstellen eines Ventils auf ein nicht in Figur 2a-d dargestelltes anderes Reservoir mit der ersten Spülflüssigkeit, zugeführt. Die erste Spülflüssigkeit wird über den ersten fluidischen Anschluss la zugeführt und über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 gefördert. Durch die erste Spülflüssigkeit werden die Organoide 7 gewaschen, wobei eventuelle Rückstände des ersten Mediums entfernt werden.
Die erste Spülflüssigkeit ist beispielsweise eine Phosphat-gepufferte Salzlösung (kurz: PBS, engl.: phosphate buffered saline). Die erste Spülflüssigkeit wird schließlich über den zweiten fluidischen Anschluss lb wieder abgeführt.
In einem Schritt b”), welcher nach Schritt b) oder nach Schritt b') erfolgt, wird der mikrofluidischen Vorrichtung 10 eine enzymhaltige Lösung, beispielsweise durch Umstellen eines Ventils auf ein nicht in Figur 2a-d dargestelltes anderes Reservoir mit der enzymhaltigen Lösung, zugeführt. Die enzymhaltige Lösung wird über den ersten fluidischen Anschluss la zugeführt und über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 gefördert. Die enzymhaltige Lösung umfasst beispielsweise das Enzym Trypsin oder TrypLE™ Express Enzym (Thermofisher), welches zu einem enzymatischen Splitten der Organoide 7 führt. In einem nächsten Schritt c) wird das enzymatische Splitten der Organoide 7 mechanisch durch pulsatiles Hin- und Herbewegen der enzymhaltigen Lösung mit den Organoiden 7 an der ersten Rückhaltestruktur 3 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 unterstützt. Durch das Einwirken des Enzyms sowie eine Reibung der Organoide 7 an der ersten Rückhaltestruktur 3, eine Reibung der Organoide 7 aneinander und an der diese beinhaltenden enzymhaltigen Lösung sowie eine Reibung an den Kanalinnenwänden des ersten mikrofluidischen Kanals 2, werden Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 von den Organoiden 7 abgespaltet bis die Organoide 7 insbesondere vollständig in Organoid-Zellen 9 und/oder Organoid- Fragmente 8 aus einigen wenigen Organoid-Zellen 9, beispielsweise aus 2-15 Organoid-Zellen 9, aufgesplittet sind.
Vor und/oder während des Split-Vorgangs wird der erste mikrofluidische Kanal 2 mit der ersten Rückhaltestruktur 3 beispielsweise beheizt, insbesondere um eine ideale Temperatur für die Enzymwirkung einzustellen. Dann wird beispielsweise ein Ventil auf ein nicht in den Figuren dargestelltes anderes Reservoir mit einer zweiten Spülflüssigkeit umgestellt.
In einem nächsten Schritt d) wird die zweite Spülflüssigkeit der mikrofluidischen Vorrichtung 10 über den ersten fluidischen Anschluss la zugeführt und über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 gefördert. Durch die zweite Spülflüssigkeit wird die enzymhaltige Lösung entfernt und so der Split-Vorgang gestoppt. Mit der zweiten Spülflüssigkeit werden die Organoid- Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 über den ersten mikrofluidischen Kanals 2 transportiert, bis sie schließlich auf einer Unterseite 5b des Rückhalteelements 5 zurückgehalten werden. Lediglich die zweite Spülflüssigkeit passiert das Rückhalteelement 5 sowie den Abschnitt 22 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 und wird schließlich über den zweiten fluidischen Anschluss lb abgeführt.
Zum Ausführen der Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 wird der mikrofluidischen Vorrichtung 10 über den zweiten fluidischen Anschluss lb in einem Schritt e) ein zweites Medium zugeführt und über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 gefördert bis zu dem ersten fluidischen Anschluss la, welcher hier als Auslass dient. Hierbei passiert das zweite Medium den Abschnitt 22 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 sowie das Rückhalteelement 5. Die Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8, welche sich auf der Unterseite 5b des Rückhalteelements 5 angesammelt haben, werden in Schritt e) mit dem zweiten Medium über den ersten mikrofluidischen Kanal 2 mitgeführt, sodass die Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 ebenfalls über den ersten fluidischen Anschluss la ausgeführt werden.
In Figur 3a ist eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung 10 in einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform dargestellt.
Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten mikrofluidischen Vorrichtung 10 spaltet sich der erste mikrofluidische Kanal 2 in zwei zweite mikrofluidische Kanäle 2a, 2a' auf. Die zwei zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a' weisen jeweils einen kleineren Durchmesser oder eine geringere Breite und/oder Höhe auf, als der erste mikrofluidische Kanal 2. Jeder zweite mikrofluidische Kanal 2a, 2a' umfasst eine zweite Rückhaltestruktur 3'. Die zweiten Rückhaltestrukturen 3' sind in den zweiten mikrofluidischen Kanälen 2a, 2a' mittig platziert. Für Agglomerat- Fragmente 8, welche größer sind als der Durchgang zwischen der Kanalinnenwand des zweiten mikrofluidischen Kanals 2a, 2a' und der zweiten Rückhaltestruktur 3' sind die zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a' in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb nicht weiter passierbar.
Der zweite mikrofluidische Kanal 2a wiederum spaltet sich in zwei dritte mikrofluidische Kanäle 2b, 2b' auf und der zweite mikrofluidische Kanal 2a' spaltet sich in zwei weitere dritte mikrofluidische Kanäle 2b", 2b'" auf. Die dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b”, 2b”'weisen jeweils einen kleineren Durchmesser oder eine geringere Breite und/oder Höhe auf als die zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a'.
Jeder dritte mikrofluidische Kanal 2b, 2b', 2b”, 2b'”umfasst eine dritte Rückhaltestruktur 3”. Die dritten Rückhaltestrukturen 3” sind in den dritten mikrofluidischen Kanälen 2b, 2b', 2b”, 2b'” mittig platziert, sodass die dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b”, 2b'” für Agglomerat- Fragmente 8, welche größer sind als der Durchgang zwischen der Kanalinnenwand des dritten mikrofluidischen Kanals 2b, 2b', 2b”, 2b'” und der dritten Rückhaltestruktur 3” in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb nicht weiter passierbar sind.
Die dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b”, 2b'”münden jeweils auf einer Oberseite 5a des Rückhalteelements 5.
Nach dem beschriebenen Muster spaltet sich beispielsweise beliebig oft ein mikrofluidischer Kanal 2, 2a, 2a' in, insbesondere zwei, neue mikrofluidische Kanäle 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'”auf. In Figur 3a ist der Durchmesser oder die Breite und/oder Höhe der mikrofluidischen Kanäle 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'” jeweils konstant. In einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform, wie beispielsweise in Figur 3b gezeigt, verschlankt sich der Durchmesser und/oder die Breite und/oder die Höhe der mikrofluidischen Kanäle 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'” kontinuierlich in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb.
Der Durchmesser der Rückhaltestrukturen 3, 3', 3” verringert sich mit jeder Aufspaltung des diese beinhaltenden mikrofluidischen Kanals 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'”. In einer alternativen nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist der Durchmesser oder die Breite und/oder Höhe der Rückhaltestrukturen 3, 3', 3” in allen mikrofluidischen Kanälen 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'”gleich. In einer weiteren alternativen nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform verschlankt sich der Durchmesser und/oder die Breite und/oder die Höhe der mikrofluidischen Kanäle 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'” stufenweise in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb, beispielsweise durch mehrere aufeinanderfolgende Verengungen.
Der erste mikrofluidische Kanal 2 umfasst eine richtungsweisende Struktur 11 zur Fokussierung der dreidimensionalen Aagglomerate 7 oder Einzelstrukturen 9 und/oder Agglomerat- Fragmente 8, in die Kanalmitte in Richtung der zumindest einen Rückhaltestruktur (3, 3', 3”). Alternativ weist beispielsweise jeder mikrofluidische Kanal 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b”, 2b'” eine richtungsweisende Struktur 11 auf.
In Figur 3b ist eine seitliche Ansicht auf die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung
10 in einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform dargestellt. Diese entspricht der in Figur 3a dargestellten ersten Variante der zweiten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass sich die mikrofluidischen Kanäle 2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'" kontinuierlich in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb verschlanken.
In der seitlichen Ansicht sind der erste mikrofluidische Kanal 2, der zweite mikrofluidische Kanal 2a, und der dritte mikrofluidische Kanal 2b sichtbar, welche sich jeweils voneinander abspalten wie in Figur 3A gezeigt.
Die mikrofluidische Vorrichtung 10 in der zweiten Ausführungsform ist ausgebildet, ein Verfahren 500 durchzuführen zum mechanischen Splitten von dreidimensionalen Agglomeraten 7 zu Einzelstrukturen 9 und Agglomerat- Fragmenten 8 und wird im Folgenden beispielhaft für ein mechanisches Splitten von Organoiden 7 zu Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmenten 8 beschrieben.
Das Verfahren 500 läuft analog ab zu dem zu den Figuren 2a-d beschriebenen Verfahren 500 mit Rückhalteelement 5, dessen Poren einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser der Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8. Im Unterschied zu diesem spalten sich die mikrofluidischen Kanäle auf. Die Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8, welche in Schritt c) an der ersten Rückhaltestruktur 3 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 aufgesplittet wurden passieren den ersten mikrofluidischen Kanal 2 und teilen sich nun auf die zwei zweiten mikrofluidische Kanäle 2a, 2a' auf. In den zweiten mikrofluidischen Kanälen 2a, 2a' werden die Organoid- Fragmente 8, welche größer sind, als ein Durchgang zwischen den Kanalinnenwänden und der zweiten Rückhaltestruktur 3' von der zweiten Rückhaltestruktur 3' zurückgehalten und sammeln sich vor dieser an. In einem erneuten Schritt c) erfolgt das Splitten der zurückgehaltenen Organoid- Fragmente 8 zu Organoid-Zellen 9 und kleinen Organoid- Fragmenten 8. Die Einzelstrukturen 9 und kleinen Organoid- Fragmente 8 passen nun durch den Durchgang zwischen den Kanalinnenwänden der zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a' und der zweiten Rückhaltestruktur 3' und passieren die zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a' weiter in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb. Die zweiten mikrofluidischen Kanäle 2a, 2a' zweigen sich weiter ab in dritte mikrofluidische Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" mit dritten Rückhaltestrukturen 3". Die Organoid-Zellen 9 und kleinen Agglomerat- Fragmente 8 teilen sich auf die vier dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" auf. In den dritten mikrofluidischen Kanälen 2b, 2b', 2b", 2b'" werden die kleinen Agglomerat- Fragmente 8, welche größer sind als ein Durchgang zwischen den Kanalinnenwänden der dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" und der dritten Rückhaltestruktur 3" von der dritten Rückhaltestruktur 3" zurückgehalten und sammeln sich vor dieser an. In einem erneuten Schritt c) erfolgt das Splitten der zurückgehaltenen kleinen Organoid- Fragmente 8 zu Organoid-Zellen 9 und sehr kleinen Organoid- Fragmenten 8. Die Organoid-Zellen 9 und sehr kleinen Organoid- Fragmente 8 passen nun durch den Durchgang zwischen den Kanalinnenwänden der dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" und der dritten Rückhaltestruktur 3" und können die dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" weiter in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses lb passieren. Die dritten mikrofluidischen Kanäle 2b, 2b', 2b", 2b'" münden auf der Oberseite 5a des Rückhalteelements 5, auf welcher sich die Organoid- Zellen 9 und sehr kleinen Organoid- Fragmente 8 ansammeln. Hier werden die Organoid- Zellen 9 und sehr kleinen Organoid- Fragmente 8 beispielswiese einer optischen Analyse unterzogen.
Das Ausführen der Organoid-Zellen 9 und sehr kleinen Organoid- Fragmente 8 erfolgt beispielsweise wie in der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zu Figur 2 beschrieben.
In Figur 4 ist ein Teilbereich 15 einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 10 in einer dritten Ausführungsform dargestellt. Dieser Teilereich 15 ist beispielsweise in die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung 10 in der ersten Ausführungsform, welche in Figur 1 dargestellt ist, oder in die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung 10 in der zweiten Ausführungsform, welche in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist, integriert.
Mittels einer Vorrichtung 10 mit integriertem Teilbereich 15 ist ein alternatives Ausführen der auf der Oberseite 5a des Rückhalteelements 5 zurückgehaltenen Einzelstrukturen 9 und Agglomerat- Fragmenten 8 über einen zusätzlichen mikrofluidischen Kanal 2' möglich, welcher ausgehend von einer Oberseite 5a des Rückhalteelements 5 in einem dritten fluidischen Anschluss lc mündet.
Zum Ausführen der Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8 ist der an das Rückhalteelement 5 in Richtung des ersten fluidischen Anschlusses la angrenzende erste mikrofluidische Kanals 2 geschlossen, beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Ventil, und der zusätzliche mikrofluidische Kanal 2' ist geöffnet, beispielsweise durch Öffnen eines nicht dargestellten Ventils.
In einem Schritt e') wird über den zweiten fluidischen Anschluss lb, welcher hier als Einlass dient, ein zweites Medium zugeführt. Das zweite Medium wird über den Bereich 22 des ersten mikrofluidischen Kanals 2 gefördert, passiert das Rückhalteelement 5, wobei es von einer Unterseite 5b des Rückhalteelements 5 durch dieses hindurch auf eine Oberseite 5a strömt. Die Organoid-Zellen 9 und Organoid- Fragmente 8, welche sich auf der Oberseite 5a des Rückhalteelements 5 angesammelt haben, werden mit dem zweiten Medium mitgeführt, in den zusätzlichen mikrofluidischen Kanal 2' geleitet und über den dritten fluidischen Anschluss lc, welcher hier als Auslass dient, ausgeführt. In allen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 können die ausgeführten Organoid-Zellen 9 und Agglomerat- Fragmente 8 analysiert, weitergeleitet, aufgeteilt und/oder neu ausgesät werden für ein erneutes Anzüchten von Organoiden 7.
Analog zu den beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Splitten von Organoiden 7 erfolgt beispielsweise ein Verfahren 500 zum Splitten von Sphäroiden in Sphäroid-Zellen und/oder Sphäroid- Fragmente, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens.
In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Kartusche 100 dargestellt, welche beispielhaft für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen der mikrofluidischen Vorrichtung 10, eine mikrofluidische Vorrichtung 10 in der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 umfasst.
Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm mit Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum mechanischen Splitten, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens, von dreidimensionalen Agglomeraten 7 zu Einzelstrukturen 9 und/oder Agglomerat- Fragmenten 8, beispielsweise in Verbindung mit den zu den Fig. 1 - 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen und Verfahrensschritten.

Claims

25 Ansprüche
1. Mikrofluidische Vorrichtung (10) zum mechanischen Splitten, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens, von dreidimensionalen Agglomeraten (7) zu Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmenten (8) mit einem ersten fluidischen Anschluss (la) und einem zweiten fluidischen Anschluss (lb) und zumindest einem zwischen dem ersten (la) und dem zweiten fluidischen Anschluss (lb) angeordneten ersten mikrofluidischen Kanal (2), wobei der erste mikrofluidische Kanal (2) zumindest eine erste Rückhaltestruktur (3) aufweist, an welcher dreidimensionale Agglomerate (7) durch Reibung mechanisch aufsplittbar sind, und wobei die zumindest eine erste Rückhaltestruktur (3) in dem zumindest einen ersten mikrofluidischen Kanal (2) so platziert ist, dass dieser für ungesplittete dreidimensionale Agglomerate (7) in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses (lb) nicht weiter passierbar ist.
2. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine erste mikrofluidische Kanal (2) in, insbesondere zwei, zweite mikrofluidische Kanäle (2a, 2a') mit je einem kleineren Durchmesser oder einer geringeren Breite und/oder Höhe als der erste mikrofluidische Kanal (2) aufspaltet, und wobei jeder zweite mikrofluidische Kanal (2a, 2a') zumindest eine zweite Rückhaltestruktur (3') umfasst, welche in dem zweiten mikrofluidische Kanal (2a, 2a') so platziert ist, dass dieser für Agglomerat- Fragmente (8), welche größer sind als der Durchgang zwischen der Kanalinnenwand des zweiten mikrofluidischen Kanals (2a, 2a') und der zweiten Rückhaltestruktur (3') und/oder welche größer sind als der Durchgang zwischen zweiten Rückhaltestrukturen (3'), in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses (lb) nicht weiter passierbar ist, und wobei sich nach diesem Muster beliebig oft ein mikrofluidischer Kanal (2, 2a, 2a') in, insbesondere zwei, neue mikrofluidische Kanäle (2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") mit Rückhaltestruktur (3, 3', 3”) aufspaltet.
3. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein mikrofluidischer Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") insbesondere kontinuierlich, in Richtung des zweiten fluidischen Anschlusses (lb) verschlankt.
4. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und/oder die Breite und/oder die Höhe der zumindest einen Rückhaltestruktur (3, 3', 3”) sich mit jeder Aufspaltung des diese beinhaltenden mikrofluidischen Kanals (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") verringert. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mikrofluidischer Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") eine richtungsweisende Struktur (11) umfasst zur Fokussierung der dreidimensionalen Agglomerate (7) oder Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8), insbesondere in die Kanalmitte und/oder in Richtung der zumindest einen Rückhaltestruktur (3, 3', 3”). Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) eine Heizeinrichtung aufweist zur Temperierung zumindest eines mikrofluidischen Kanals (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") und/oder eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung von Ultraschall oder/oder eine Einrichtung zur Erzeugung und Einleitung einer Vibration in zumindest einen mikrofluidischen Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'"). Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) ein Rückhalteelement (5) umfasst, welches als Mikrofilter und/oder als Mikrosieb und/oder als mikrostrukturiertes Gitter mit Poren ausgestaltet ist, und wobei die Poren insbesondere einen Durchmesser von 2-10 pm aufweisen. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) einen zusätzlichen mikrofluidischen Kanal (2') aufweist, welcher ausgehend von einer Oberseite (5a) des Rückhalteelements (5) in einem dritten mikrofluidischen Anschluss (lc) mündet. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) zumindest ein Ventil und/oder zumindest eine Pumpe umfasst, welche elektrisch ansteuerbar sind, sodass die mikrofluidische Vorrichtung (10) elektrisch betreibbar ist und/oder dass die Vorrichtung (10) zumindest ein Reservoir für ein Fluid umfasst. Mikrofluidisches Verfahren (500) zum mechanischen Splitten, insbesondere zur Unterstützung eines enzymatischen Splittens, von dreidimensionalen Agglomeraten (7) zu Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmenten (8) mittels einer mikrofluidischen Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit folgenden Schritten: a) Zuführen eines ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten (7) über den ersten fluidischen Anschluss (la) b) Fördern des ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten (7) über den ersten mikrofluidischen Kanal (2), wobei die dreidimensionalen Agglomerate (7) durch die zumindest eine erste Rückhaltestruktur (3) am weiteren Durchtritt gehindert werden. c) pulsatiles Hin- und Herbewegen des ersten Mediums mit dreidimensionalen Agglomeraten (7) sodass die dreidimensionalen Agglomerate (7) mechanisch durch Reibung an der zumindest einen ersten Rückhaltestruktur (3) gesplittet werden. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) folgender Schritt erfolgt: b') Zuführen und Fördern einer ersten Spülflüssigkeit über den ersten mikrofluidischen Kanal (2) zum Waschen der dreidimensionalen Agglomerate (7). Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) oder nach Schritt b') folgender Schritt erfolgt: b") Zuführen und Fördern einer enzymhaltigen Lösung über den ersten mikrofluidischen Kanal (2), und wobei in Schritt c) ein pulsatiles Hin- und Herbewegen der enzymhaltigen Lösung mit den dreidimensionalen Agglomeraten (7) erfolgt, sodass das enzymatische Splitten der dreidimensionalen Agglomerate (7) mechanisch durch Reibung an der zumindest einen ersten Rückhaltestruktur (3) unterstützt wird. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c), und optional die Schritte b') und/oder b") ebenfalls in, sich vom ersten mikrofluidischen Kanal (2) direkt oder indirekt abspaltenden, mikrofluidischen Kanälen (2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") mit zumindest einer Rückhaltestruktur (3, 3', 3”) erfolgen. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mikrofluidischer Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") mit der zumindest einen Rückhaltestruktur (3, 3', 3”) temperiert, insbesondere beheizt oder gekühlt, wird und/oder wobei Ultraschall und/oder eine Vibration in 28 zumindest einen mikrofluidischen Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") mit der zumindest einen Rückhaltestruktur (3, 3', 3”) eingeleitet wird. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10-14 dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) folgender Schritt erfolgt: d) Fördern der gesplitteten Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) über zumindest einen mikrofluidischen Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") bis zu einem Rückhalteelement (5), dessen Poren einen Durchmesser kleiner des Durchmessers der gesplitteten Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) aufweist, sodass diese zurückgehalten werden, wobei das Fördern der gesplitteten Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) insbesondere über eine zweite Spülflüssigkeit erfolgt. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gesplitteten Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) auf dem Rückhalteelement (5) einer optischen und/oder mikroskopischen Analyse unterzogen werden. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10-16 dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) folgender Schritt erfolgt: e) Rückfördern der Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) über zumindest einen mikrofluidischen Kanal (2, 2a, 2a', 2b, 2b', 2b", 2b'") und Ausführen der Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) über den ersten fluidischen Anschluss (la), welcher hier als Auslass dient. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach Anspruch 15 oder 16 dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) folgender Schritt erfolgt: e') Zuführen eines zweiten Mediums über den zweiten mikrofluidischen Anschluss (lb), welcher hier als Einlass dient, und Führen des zweiten Mediums über einen Abschnitt (22) des ersten mikrofluidischen Kanals (2) zu einer Unterseite (5b) des Rückhalteelement (5) und durch dieses hindurch, sodass die rückgehaltenen Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) auf einer Oberseite (5a) des Rückhalteelements (5) mit dem zweiten Medium in einen zusätzlichen mikrofluidischen Kanal (2') überführt werden, welcher in einem dritten fluidischen Anschluss (lc) mündet, und Ausführen der Einzelstrukturen (9) und/oder Agglomerat- Fragmente (8) über den dritten fluidischen Anschluss (lc), welcher hier aus Auslass 29 dient. Mikrofluidisches Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10-18 dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Agglomerate (7) Zellagglomerate, insbesondere Organoide (7) oder Sphäroide sind und wobei die gesplitteten Einzelstrukturen (9) Zellen, insbesondere Organoid-Zellen (9) oder Sphäroid-Zellen sind und wobei die Agglomerat- Fragmente (8) Zellagglomerat- Fragmente, insbesondere Organoid- Fragmente (8) oder Sphäroid- Fragmente sind. Steuereinheit zur Steuerung des mikrofluidischen Verfahrens (500) nach einem der Ansprüche 10-19, insbesondere durch eine elektrische Aktuation des zumindest einen Ventils und/oder der zumindest einen Pumpe. Kartusche (100), insbesondere mikrofluidische Kartusche, umfassend eine mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1-9.
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