Development of a cell sorting platform based on magnetic levitation principle

Abstract

Circulating Tumor Cells (CTCs) play a vital role in cancer diagnosis, prognosis and personalized medicine. However, CTCs are extremely rare in blood (i.e., down to 1- 100 CTC per 1 mL human blood) and hard to isolate because of the heterogeneity of CTCs in biomarker expression. The current CTC separation techniques use numerous differences between cells such as size, electric charges, density and expression of cell surface markers. However, these techniques have many limitations in terms of manual sample preparation steps, inconsistent results caused by low specificity and efficiency, and increased cost. Hence, there is no standard method for isolating CTCs yet. With this study, it was aimed to fill the gap in CTC isolation by proposing a new method based on magnetic levitation principle, which has recently been demonstrated as a highly acceptable method for biological characterization of cells and monitoring of their cellular events. Short while ago, magnetic levitation technology has been used to measure cell densities at single-cell level. By using this technology, unique differences in levitation height and so in density have been identified between cancer cells and blood cells. In this study, we have been developed a new label-free microfluidic cell sorter that is based on the principles of magnetic levitation. After successfully completing this master thesis, this device can be used for rapid, low cost and label-free in-vitro diagnosis of cancer by sorting CTCs from whole blood in a high-throughput manner. The sorted cells might further be collected for downstream analysis for personalized and precision medicine

Dolaşımdaki tümör hücreleri (CTC), kanser tanısında, öngörüsünde ve kişiselleştirilmiş tedavi yöntemlerinin belirlenmesinde kritik bir öneme sahiptir. Ancak, CTC’lerin kandaki sayıları çok azdır (1 mL kan içerisinde 1-100 CTC gibi), hem de biyomarker bağlamında heterojen olduklarından izole edilebilmeleri oldukça zordur. Güncel olarak kullanılan CTC ayrıştırma yöntemleri, bu işlem için hücreler arasındaki boyut, elektrik yükü, özkütle ve hücre membran antijenlerindeki farklılıkları kullanmaktadır. Ancak, söz konusu teknikler örneklerin manuel olarak hazırlanmasına, düşük ayrıştırma saflığı ve verimliliği dolayısıyla tutarsız sonuçlara ve yüksek maliyetlere neden olup sıkıntılara yol açabilmektedir. Bu nedenle, CTC’leri ayrıştırma konusunda bugüne kadar etkin ve standart bir yöntemin geliştirilemediği söylenebilir. Bu yüksek lisans tez çalışması ile CTC’lerin ayrıştırılmasına ilişkin söz konusu boşluğun son dönemde hücrelerin ve hücresel etkinliklerin biyolojik karakterizasyonu ve gözlemlenmesi konularında oldukça başarılı bir metot olarak ortaya sunulan manyetik levitasyon prensibine dayalı yeni bir yöntem geliştirilerek doldurulması hedeflenmektedir. Manyetik levitasyon teknolojisi ile, levitasyon yüksekliği ve özkütlelerdeki özgün farklılıkların belirlenebilmesi, kanser hücrelerinin kan hücrelerinden ayırt edilebilmesine imkan vermektedir. Sunulan tez çalışmasında, manyetik levitasyon prensibine dayalı, yeni ve işaretleme yöntemi kullanılmaksızın bir mikroakışkan hücre ayıracının geliştirmesi hedeflenmiştir. Mikroakışkan kanalı çevreleyen ve sabitlenen iki mıknatıs yardımıyla meme kanseri hücrelerinin sürekli bir akış halinde olan akyuvarlar arasından ayrıştırılmasını sağlayacak bir mikroakışkan cihaz tasarlanıp geliştirilmiştir. Tez çalışmasının başarıyla sonuçlanması ile çıktı olarak elde edilen bu mikroakışkan cihaz, CTC’lerin kandan büyük hacimlerde ve verimli bir şekilde ayıklanabilmesini sağlayarak kanserin hızlı, ucuz ve işaretleme yöntemlerinden bağımsız in-vitro tanısı amacıyla kullanılabilecektir. Bununla birlikte bu yöntemle ayıklanan hücreler, ileride kişiselleştirilmiş tedavi yöntemleri ve hassas tıp alanlarında kullanılmak üzere toplanıp analiz edilebileceklerdir.