Magnetic microfluidic system for isolation and detection of rare circulating tumor cells

Abstract

Der innovative Aspekt der vorgeschlagenen Isolations- und Detektierungsmethode besteht in der Verwendung von magnetischen Partikeln zum Markieren der zirkulierenden Tumorzellen (CTCs). Es erfolgt eine Isolierung und Detektion durch Mikrofallen mit integrierten stromdurchflossenen Mikroleiterstrukturen. Die magnetisch markierten CTCs können danach durch integrierte, magnetische Mikrosensoren z.B. Giant Magnetoresistive- (GMR) oder Giant Magnetoimpedance- (GMI) Sensoren detektiert werden. Das vorgeschlagene magnetische Mikrofluidiksystem besteht aus Mikrofluidikkanälen und Mikrofangkammern (Mikrofallen), welche aus einem Trocken-Fotolack-Dünnfilm (Ordyl) mit Standard Fotolithografieprozessen hergestellt werden. Kommerziell verfügbare MPs mit funktionaler Oberfläche mit spezieller Affinität zu CTCs werden für die Markierung dergleichen in der Probe verwendet. Isolation und Einfangen der magnetisch markierten CTCs wird durch stromdurchflossene Mikrostrukturen erreicht. Diese Mikrostrukturen werden mittels Aufdampfen und Fotolithografie erzeugt und unter den Mikrofallen positioniert. Die Probe mit den CTCs wird im Vorfeld mit den funktionalen magnetischen Partikeln gemischt, um sicherzustellen, dass markierte Zellen durch das Mikrofluidiksystem fließen. Durch das sequenzielle Anschalten von Strömen in den Mikrostrukturen wirkt eine laterale Kraft auf die vorher in x-Richtung fließenden CTCs. Diese Kraft zieht Zellen mit MPs an und hält diese in den Mikrofallen fest. Durch die Positionierung eines magnetischen Sensors unter der Mikrofalle kann das vorgeschlagene Mikrofluidiksystem in Zukunft auch dazu verwendet werden die Anwesenheit der CTCs zu detektieren. Diese Arbeit umfasst Planung, Produktion und Test des vorgestellten Mikrofluidiksystems mit stromführenden Mikrostrukturen. Die Tests werden mit magnetisch markierten Jurkat-Zellen (Menschliche T-Lymphozyt-Zellen) durchgeführt.

The innovative aspect of the proposed isolation and detection method is that it utilizes magnetic particles (MPs) to label CTCs and then isolate those using microtraps with integrated current carrying microconductors. The magnetically labeled and trapped CTCs can then be detected by integrated magnetic microsensors e.g. giant magnetoresistive (GMR) or giant magnetoimpedance (GMI) sensors. Specifically, the proposed magnetic microfluidic system consists of microfluidic channels and trapping microchambers (microtraps) fabricated using a dry photoresist thin film (Ordyl) and a standard photolithography process. Commercially available functionalized MPs with selective affinity to CTCs are used to label the CTCs in the sample under investigation. The isolation and capturing of the magnetically labeled CTCs is achieved through current carrying microstructures. These microconductors are fabricated underneath the microtraps using evaporation deposition technique and photolithography. The sample containing the CTCs which is prior mixed with the functionalized MPs to ensure labeling of the CTCs flows through the microfluidic channel. Current is applied sequentially at the microconductors. This causes a magnetic force to act on the magnetically labeled CTCs which flow through the microchannel along the x-axis. This lateral magnetic force attracts them, separates them from the other cells in the sample and captures them inside the microtraps. By placing a magnetic microsensor underneath the microtrap during fabrication the proposed method can additionally be used to detect the presence of CTCs in the future. The thesis includes the design, fabrication and testing of the proposed microfluidic system with the integrated current carrying microconductors. The testing is carried out with magnetically labeled Jurkat cells (human T-lymphocyte cells).