Tunable microfluidic chips for isolating circulating tumor cells

Abstract

Zirkulierenden Tumorzellen (CTCs) lösen sich von einem Haupttumor und verbleiben auch nach erfolgreicher Entfernung des Tumors im Blut. Ihr Vorkommen erhöht die Wahrscheinlichkeit von neuen Krebsgeschwüren. Mikrofluidchips helfen CTCs in Blutproben zu erkennen, zu identifizieren und zu zählen. Bei Patienten mit Krebs im fortgeschrittenen Stadium ist das geschätzte Verhältnis von CTCs zu Blutzellen 1 zu einer Milliarde. Sollen CTCs im Blut zur Krebsdiagnose und Behandlung eingesetzt werden, müssen die wenigen Zellen detektiert und isoliert werden. Genügend Zellen für Untersuchungen erfordern eine hohe Effizienz des Mikrofluidfilters und Reinheit der isolierten Zellen.<br />Der Zweck dieser Arbeit ist die Entwicklung von neuen flexiblen Technologien für die Isolation von einzelnen lebenden CTCs. Magnetische Gradientenfelder können spezielle Geometrien und Filterstrukturen erzeugen. Die Kernelemente der neuen Technologien bilden selbstorganisierende oder geführte Anordnungen von mikromagnetischen Teilchen und flexible magnetoaktive Säulen im Mikrofluidkanal. Mit elastische Eigenschaften von Blutzellen und anziehenden Antikörpern werden CTCs von den restlichen Zellen getrennt.<br />In dieser Arbeit werden numerische Simulationstools für die oben beschriebenen Chip Technologien entwickelt. Zu Beginn wird eine diskrete Elemente Methode angewendet um selbstorganisierende mikromagnetische Teilchen zu simulieren. Danach wird eine lattice Boltzmann Methode für den Blutfluss in einem Mikrofluidchip mit eingetauchten elastischen und festen Objekten (Blutzellen, magnetische Teilchen) benutzt. Außerdem wird der Blutfluss in einem elastischen Mikrofluidkanal mit Mikrosäulen mit einer finiten Elemente Methode beschrieben. Kanäle und Säulen können mit einem Magnetfeld gesteuert werden. Simulationen der Selbstorganisation zeigen, dass der Abstand zwischen Ketten aus magnetischen Teilchen, die ein Hindernis für CTCs bilden, durch eine externe Feld gesteuert werden können. Die Zell/Fluid/Kanal Simulationen werden mit experimentellen Daten von Projektpartnern und aus der Literatur abgestimmt. Blutzellen werden mit Hilfe von angelegten Kräften und resultierender Form kalibriert. Mit der Simulation des Blutflusses wird gezeigt, dass Kanäle mit Spalten erzeugt werden können, die CTCs aufhalten und rote Blutkörperchen passieren lassen. Einstellbare Mikrofluidkanäle und elastische Hindernisse zeigen großes Potential für eine verbesserte Filterausbeute.<br />

Circulating tumor cells (CTCs) detach from a tumor and can remain in the blood even after the tumor is removed. Their presence increases the chance of new tumors developing. Microfluidic lab-on-chips help to detect, identify and count these cells in peripheral blood. In patients with advanced cancer the estimated ratio of tumor cells to blood cells is one to one billion. Any successful assessment of CTCs in cancer therapy or aftercare investigations requires detection and isolation of the few tumor cells in the blood. In order to have enough cells for further investigations, the capture efficiency and the capture purity should be high.<br />The aim of this work is the development of new versatile technologies for the isolation of single viable CTCs. Magnetic field gradients are used for tuning the geometry and particular filter structures. The micro-fluidic chips will be based on self-organizing or guided self-assembly of micromagnetic beads and flexible magneto-active microposts in a microfluidic channel. Mechano-elastic properties of the blood cells in combination with attracting antibodies separate CTCs from remaining cells.<br />In this work numerical simulation tools for the above mentioned chip technologies are developed. Firstly, a discrete element method is applied, in order to simulate the self-assembly of micromagnetic beads in the fluid flow. Secondly, a lattice Boltzmann method is used to simulate the fluid flow in microfluidic chips including immersed elastic and rigid objects (blood cells, magnetic beads). Thirdly, a finite element tool is used to describe the blood flow inside elastic microfluidic channels with micro-pillars. Both, channels and pillars, can be tuned with a magnetic field.<br />Simulations of self-assembly show that it is possible to tune the distance between chains of magnetic beads, which are obstacles for circulating tumor cells, with the external field. The cell/fluid/channel simulations have been verified by comparison with experimental data from literature. Calibration of the blood cells is done with applied forces and resulting shapes. By simulating the fluid flow, it can be shown that channels/gaps can be created such that CTCs are captured, whereas red blood cells pass. Simulations of magnetoactive polymers are validated with experimental data from project members. Tunable microfluidic channels and elastic obstacles show great potential for increased filter effectiveness.<br />