Automatisches System isoliert seltene Zellen
-
Bild 1. Das DEP-Array-System von Silicon Biosystems
-
Bild 2. Layout des DEP-Array-Chips
Elektrischer Felder sind in der Lage, eine Kraft auf neutrale, polarisierbare Partikel, wie Zellen, auszuüben. Diesen Effekt macht sich das DEP Array von Silicon Biosystems zu Nutze. Es selektiert Zellen, die sich in einer Probe auf einem Chip befinden und ermöglicht so eine gezielte medizinische Untersuchung. Die Steuerung des Systems übernimmt die Software Labview von National Instruments.
Die Technologie von Silicon Biosystems beruht auf der Eigenschaft elektrischer Felder, eine Kraft auf neutrale, polarisierbare Partikel, wie Zellen, ausüben zu können, die in einer Flüssigkeit schweben. Dieses elektrokinetische Prinzip wird Dielektrophorese (DEP) genannt. Ein neutraler Partikel, der inhomogenen elektrischen Feldern ausgesetzt ist, bewegt sich dabei in Bereiche hoher (positiver DEP, pDEP) oder niedriger (negativer DEP, nDEP) Feldstärke.
In einem DEP-Array-System (Bild 1) wird das elektrische Feld auf der Oberfläche eines Siliziumchips erzeugt, der direkt mit einer mikrofluidischen Kammer verbunden ist, welche die Zellen in Suspension enthält. Diese Kammer ist zwischen der Oberfläche des Chips und einer transparenten Abdeckung eingeschlossen, die sich einige Dutzend Mikrometer vom Chip entfernt befindet.
Die Oberfläche des aktiven Chips nutzt ein zweidimensionales Array mikroskopisch kleiner Felder, von denen jedes aus einer Flächenelektrode und einem integrierten logischen Schaltkreis besteht (Bild 2). Jede Elektrode lässt sich so programmieren, dass sie einen Potentialtopf, auch dielektrophoretischer Feldkäfig genannt, generiert. Innerhalb eines jeden dieser dielektrophoretischen Feldkäfige können Partikel in einem stabilen Schwebezustand festgehalten und dann einzeln analysiert werden.
Da jede Zelle individuell analysiert wird, kann das System anspruchsvolle Analysen auf Basis der Fluoreszenz durchführen, durch die es möglich ist, die auffälligen Eigenschaften zu identifizieren, die eine Zielzelle von tausenden anderen verunreinigten Zellen unterscheidet. Das DEP Array nutzt Hard- und Software von National Instruments für die Verwaltung von Mechanik, Mikroflüssigkeiten, kommerziellen und benutzerdefinierten Elektronikwerkzeugen sowie der Bilderfassung und -verarbeitung. Das System ermöglicht dem Anwender die Durchführung eines Arbeitsablaufs, der aus folgenden Schritten betseht:
• Ablegen einer Probe durch mikrofluidische Steuerung,
• Erfassen von Bildern in Hellfeld und Fluoreszenz,
• Analysieren der Bilder,
• Identifizieren und Auswählen von Zielzellen mittels einer grafischen Benutzeroberfläche,
• automatisches Sortieren der identifizierten Zielzellen sowie
• Sicherstellen der Zielzellen mittels mikrofluidischer Steuerung.
Ablegen einer Probe
Das Ablegen von Proben ist ein heikler Prozess. Die Software NI Labview steuert das Pumpenaggregat, mit dem die Druckunterschiede erzeugt werden, durch deren Hilfe die Probe vom Eingangsbecken zum Chip innerhalb der mikrofluidischen Kammer gespült wird. Das System nutzt Algorithmen, die mit den Bildverarbeitungsbibliotheken des NI Vision Development Module implementiert wurden, um den Ablageprozess automatisch zu überwachen und zu steuern.
Nachdem die Probe auf den Chip abgelegt wurde, steuert die Software alle IO-Kanäle, die zur Konfiguration des Arrays aus Elektroden benötigt werden, welche die Zellen einschließen und sie über den gesamten Prozess hinweg im Schwebezustand halten. Dadurch wird eine stabile und zuverlässige Systemsteuerung gewährleistet.
Die Probenanalyse wird durch optisches Scannen der kompletten Chipoberfläche mit mehreren Filtern in Fluoreszenz sowie in Hellfeld ausgeführt. Labview steuert das System, in dem der Chip mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich positioniert wird, und verwaltet die Erfassung, Bildverarbeitung und Darstellung der hochauflösenden digitalen Bilder des Mikroskops.
Auswahl der Zielzellen
Für die Auswahl der Zielzellen stellt das DEP Array dem Anwender eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) bereit, die in Labview entwickelt wurde und in Microsoft .NET Framework integriert werden kann. Die Zellen können auf unterschiedliche Weise analysiert werden, um ihre Beschaffenheit zu beurteilen. Die HMI zeigt Streudiagramme oder Histogramme der Analysemessungen und bietet eine Darstellung aller Messungen in Tabellenform. Für jede ausgewählte Zelle werden auch die während der Analyse erfassten Bilder angezeigt, damit der Anwender die vom Computer gemachten Messungen in eine morphologische Beurteilung einbinden kann.
Bei der automatischen Sortierung wird je nach Zellenkarten und Hindernissen durch Labview dynamisch die Konfiguration des Arrays der Chipelektroden erstellt, die jede relevante Zelle von der ursprünglichen Position zum Punkt der Sicherstellung bewegen. Durch die digitale Steuerung der Bewegung erreicht das System eine hohe Reinheit bei der Sortierung.
Bei dem Verfahrensschritt „Sicherstellung“ interagiert Labview mit dem peristaltischen Pumpenaggregat, um die Druckunterschiede zu schaffen, die für den Abwärtsfluss des Pufferabschnitts benötigt werden, der die ausgewählten Zellen auf dem Sicherstellungsmedium (zum Beispiel einem Objektträger) innerhalb der mikrofluidischen Kammer enthält. Der Prozess zur Sortierung und Sicherstellung kann wiederholt werden, um mehrere Zellen oder Gruppen bereinigter Zellen separat zu sammeln, die mithilfe herkömmlicher Techniken der Molekularbiologie genetisch analysiert werden.
Fazit
Die Technologie, die von Silicon Biosystems durch Nutzung von Hard- und Software von National Instruments sowie der Fertigkeiten von Sky Technology entwickelt wurde, macht den Weg für eine Reihe von Forschungsaktivitäten frei. Deren Ziel besteht darin, zirkuläre Tumorzellen (CTC) zu isolieren, um die personalisierte Behandlung in der Onkologie zu beurteilen sowie fetale Zellen im Blut der Mutter zu identifizieren und so eine nicht invasive pränatale Diagnostik zu ermöglichen.
Autor: Gianni Medoro ist Chief Scientific Officer der Silicon Biosystems S.p.A. in Bologna/Italien.
