Simulation

Der wirbelgetriebene Zellsortierer

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Das Simulationsergebnis zeigt als Zeitreihe die im Wirbel gefangene Zelle, die dadurch verursachte Verschiebung der Zelle über die Stromlinien und schließlich das Eintreten der Zelle in den Sortierkanal.
Das Simulationsergebnis zeigt als Zeitreihe die im Wirbel gefangene Zelle, die dadurch verursachte Verschiebung der Zelle über die Stromlinien und schließlich das Eintreten der Zelle in den Sortierkanal. (Bild: The Technology Partnership)

Forscher haben eine Mikrofluidik-Zellsortiertechnologie entwickelt, die Zellen in zwei Ausgangskanäle sortiert. Beim Design half eine Multiphysik-Simulation.

Aktuelle Zellsortieranlagen können seltene Zellphänotypen oder Subpopulationen von sich unterschiedlich verhaltenen Zellen für die Bioforschung isolieren. Die primäre Methode ist als Jet-in-Air-Sortierung bzw. Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (fluorescence-activated cell sorting, FACS) bekannt. Dabei werden die Zellen mit einem Laser vermessen und dann als Tröpfchen durch die Luft geströmt, um von Hochspannungselektroden einzeln abgelenkt zu werden. Jet-in-Air-Systeme sind aufgrund niedriger Zellverarbeitungsraten, des Bedarfs an hochqualifizierten Mitarbeitern und der Risiken durch den unsterilen Umgang mit Flüssigkeiten und die Produktion von Tröpfchen in der Luft für den therapeutischen Einsatz ungeeignet.

Entscheidung zur Zellsortierung in Echtzeit

Forscher von The Technology Partnership (TTP plc) in Cambridge haben eine neue Mikrofluidik-Zellsortiertechnologie, den Vortex-Actuated Cell Sorter (VACS), entwickelt, bei der fluoreszierend markierte Zellen optisch erfasst und die Entscheidung zur Zellsortierung in Echtzeit getroffen werden. Der VACS besteht aus einem Eingangskanal und hat eine neuartige Geometrie, um Zellen in zwei Ausgangskanäle zu sortieren, einen für die Abfallzellen und einen für die Zellen von Interesse. Der VACS könnte viele Probleme lösen, wie Robyn Pritchard, Life-Science-Beraterin bei TTP erklärte: „Die Herausforderung in der Zelltherapie ist es, schnell genug zu sortieren. Bei jedem Einstromsortierer werden die Zellen bei Überschreiten einer Grenzgeschwindigkeit abgetötet. Eine Alternative zu hohen Geschwindigkeiten ist das Multiplexing – der parallele Betrieb mehrerer Zellensortierer. Dabei müssen möglichst viele Sortierer unter eine Mikroskop-Objektivlinse passen.“ Das Team wollte in einer Stunde etwa eine halbe Milliarde Blutkörperchen mit hoher Reinheit und Ausbeute verarbeiten, also etwa das 10- bis 20-fache dessen, was herkömmliche Zellsortierer leisten können.

Hochgeschwindigkeit auf kleinem Raum

Das VACS-Gerät misst 1 mm x 0,25 mm, einschließlich Aktoren, und kann auf einem Chip mit einem Abstand von ~1 mm einschließlich aller Rohrleitungen angeordnet werden. Ein Dünnschicht-Mikroheizer erzeugt thermische Dampfblasen und ist sowohl klein (~0,1 mm breit) als auch einfach herzustellen.

Die Tests und Comsol Multiphysics-Simulationen zeigten jedoch, dass die ausgewählten Aktoren zu schnell und schwach waren, um eine Zelle eigenständig zu bewegen. „Dann hatten wir eine Inspiration. Was wäre, wenn wir die durch den Aktor verursachte Verschiebung mit den Prinzipien der Trägheits-Mikrofluidik verstärken könnten? Dabei sollte der Aktor genutzt werden, um einen winzigen Wirbel zu erzeugen, der mit einer Zelle von Interesse stromabwärts fließt und sie vom Abfallstrom zum Sortierstrom bewegt. Die Idee zu VACS war geboren“, erläuterte Pritchard.

Anhand eines Strömungsmodells simulierte das TTP-Team den Effekt der Ausdehnung und des Zusammenbruchs der thermischen Dampfblase mittels einer „Moving-Wall“-Technik: „Dies imitierte den Rand der Blase und die Wirkung des 10-μs Impulses der thermischen Dampfblase, aber ohne die komplizierte Physik der Verformung simulieren zu müssen, die eine Blase erzeugen würde“, sagte Pritchard. Nach mehreren Iterationen der Simulation arbeitete der Prototyp erstmals wie entworfen.

Validierung des Endprodukts

Innerhalb des VACS erzeugt der Aktor eine thermische Dampfblase, die sich innerhalb von 10 μs ausdehnt und wieder zusammenbricht. Dadurch entsteht ein Trägheitswirbel, der 200 μs lang andauert und die Zelle von Interesse dauerhaft um etwa 20 μm ablenkt. Die Zelle bewegt sich dann zu einem Sortierkanal, alle anderen Zellen fließen automatisch in einen Abfallkanal. Mittels Multiphysik konnte das Team die Entwürfe validieren. Pritchard erklärte: „Bei den Anfangsproblemen mit der Chipherstellung war die Simulation oft unser bestes Werkzeug, um herauszufinden, was das Problem verursacht hat und es zu beheben.“

Hohes Entwicklungstempo

Das Team baut nun die Multiplex-Version des Chips und testet mit Hilfe der Multiphysik-Simulation mehrere Aspekte. Pritchard erklärte: „Mit 16 Eingangskanälen und 16 Einzelsortierern haben wir es mit einem hochkomplexen mikrofluidischen System zu tun und müssen sicherstellen, dass jeweils die gleiche Menge an Flüssigkeit und Zellen durch jeden Kanal fließt.“ Der einkanalige Trägheitswirbelsortierer soll in Kürze kommerziell verfügbar sein.

Pritchard fügte hinzu: „Wir hoffen, das Multiplex-Design in den kommenden Monaten zu erproben und so ein vollständiges Proof-of-Concept-Gerät zu haben, das die Technologie demonstriert. Dieses Entwicklungstempo wäre ohne die von uns eingesetzten Modellierungs- und Simulationswerkzeuge nicht möglich gewesen.“ (jup)

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