Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg

Gesamtvorhaben
Durchflusszytometrische Analysen und Sortierungen von Partikeln und Zellen nach dem Jet-in-Air Verfahren haben in der biomedizinischen Forschung und für klinische Untersuchungen große Bedeutung und ein weltweit wachsendes Marktvolumen von derzeit etwa $ 1,5 Milliarden gewonnen. Nach Zellsortierungen auf der Basis von Volumenbestimmungen oder Verarbeitung von Lichtstreuungssignalen konnten die Einsatzmöglichkeiten von Zytometrie-Systemen durch die Verwendung zelltyp-spezifischer Antikörper und mit Hilfe empfindlicher Fluoreszenz-Signalerfassung deutlich erweitert werden. Mindestens drei Einschränkungen behindern aber weitere Entwicklungen des Jet-in-Air Verfahrens: Systembedingt können bei vielen Proben bestimmte Zellen selbst bei Durchflussgeschwindigkeiten unter hohem Druck erst nach langen Sortierzeiten gewonnen und auch dann oft nicht ausreichend viele Zellen von Interesse isoliert werden. Zudem können lange Sortierzeiten und hydrodynamische Belastungen die Integrität empfindlicher Zelltypen beeinträchtigen. Darüber hinaus lässt sich eine massive Bildung von Aerosolen nicht vermeiden, die potentiell gefährliche Partikel enthalten und Bedienpersonal sowie Umgebung kontaminieren können.

Im Rahmen dieses Projekts wollen wir daher Grundlagen für neuartige Analysen und schonende Auftrennungen vitaler Zellen mit hoher Ausbeute erarbeiten, bei dem Aerosolbildung weitgehend vermieden wird. Hierfür sollen innerhalb eines zweidimensionalen Mikroleitsystems unter Einsatz der elektro-hydrodynamisch wirksamen Elektrowetting-Technologie in Mikrotröpfchen eingeschlossene Zellen auf Mikrofluidik-Chips analysiert, individuell adressiert und hochparallel sortiert werden.


Vorhaben des Teilprojekts
Ein wesentlicher Aspekt des Teilprojekts bildet die Entwicklung und Optimierung von physikalischen Sortieralgorithmen, welche sich in der Form einer spezifischen Architektur der Hochgeschwindigkeits- Sortieranlage (i.e. des Mikrofluidik-Chips) realisieren lassen. Hierzu soll ein raum- und zeitdiskretes, numerisches Logistik-Modell bezüglich der Prozessierung von zellenhaltigen Tröpfchen-Kolonnen erstellt und anhand geeigneter Experimente validiert werden, mit Hilfe dessen sich die gesuchte Mikrofluidik-Sortieranlage entwerfen und optimieren lässt.


Stand der Technik
Gebräuchliche Zell- und Partikelauftrennungen mit Hilfe der Durchflusszytometrie nach dem Jet-in-Air Verfahren konnten sich sowohl in der grundlagenorientierten Forschung als auch bei klinischen Anwendungen erfolgreich etablieren. Bei diesem seriellen, strahlbasierten Verfahren haben sich insbesonders bezüglich der Sortiergeschwindigkeit Einschränkungen ergeben, welche systembedingt nicht mehr aufgehoben werden können. So führen z.B. die im Sortierstrahl benötigten Druck- und Strömungsbedingungen bei empfindlichen Zellen regelmäßig zu Beeinträchtigungen der Integrität und Vitalität. Zusätzlich lässt sich die massive Bildung von Feinsttröpfchen nicht vermeiden, wodurch sich potentiell gefährliche Aerosole verbreiten können. Insgesamt stößt das Jet-In-Air-Verfahren an seine physikalischen Grenzen, wenn Durchsatzraten von mehr als 50.000 Zellen/s gefordert sind.
Hoch-parallelisierte Sortieranlagen hingegen, in welchen die Zell- oder Partikelproben innerhalb kleinster Flüssigkeitsvolumina mit Hilfe der Elektowetting-Methode [1] transportiert und prozessiert werden, lassen sich in der Gestalt von Mikrofluidik-Chips realisieren und bieten dadurch eine flexibel skalierbare Plattform an, auf Grund derer sich die besagten Geschwindigkeitsbegrenzungen serieller Sortierverfahren in vielversprechender Weise umgehen lassen. Die Herausforderung dieses (Teil-)Projektvorhabens liegt demnach in der Entwicklung leistungsfähiger Chip-Architekturen, bzw. im Entwurf und der Optimierung ultra-schneller physikalischer Sortieralgorithmen.


Physikalische Sortieralgorithmen
Der Zeitraum der Forschungsaktivitäten zu den physikalischen Sortieralgorithmen bei der (strahlbasierten) Durchflusszytometrie reicht von den frühen 60er-Jahren bis weit in die späten 90er-Jahre. Die Literatur zu den algorithmischen Aspekten des physikalischen Hochgeschwindigkeits-Sortierens im Kontext der elektronisch aktivierten, digitalen Mikrofluidik (DMF) ist demgegenüber praktisch inexistent [2], zumal in den meisten Publikationen zu Chip-basierten Zellensortieranlagen fast ausschließlich prozesstechnologische Aspekte der Zellenhandhabung im Vordergrund stehen [3]. Dediziert algorithmisch dominierte Lösungsansätze wurden bisher einzig in einer aktuellen Patentschrift konkretisiert, und zwar als Konzeptvorschlag für eine multifunktionale Sortieranlage in einem generischen Mikrokanal-System [4]. Deterministische physikalische Sortieralgorithmen referieren in der Regel auf Architekturen mit logischen Entscheidungsbäumen, währenddessen bei sehr raren Zellvorkommen auf statistische Entscheidungsprozesse, basierend auf der multivariate Analyse, verwiesen wird. Trotzdem bleibt offen, wie diese Algorithmen für sehr große aggregierte Prozessraten (z.B. 1.000.000 Zellen/s) auszulegen sind, zumal deterministische Sortierverfahren mit logischen Entscheidungsbäumen an ihre Grenzen stoßen können. Neuere Forschungstendenzen der «physikalischen Algorithmik» wagen einen umgekehrten Blick, indem sie die algorithmischen Freiheitsgrade des zugrundeliegenden physikalischen Prozesses erkunden [5] bzw. den dadurch vorgegebenen Implementationsspielraum methodisch zu bewerten versuchen. In Konsequenz würde dies bedeuten, dass die Hardwareimplementation bzw. das Substrat, oder gar das zugrundeliegende Material, das eigentliche Entwurfsparadigma des Algorithmus darstellt (material computing) [6].


Publikationen Forschung MINAPSO
[1] B. Göllner, D. Kerkhoff, U. Michelsen, M. Padberg, F. Schreiber, and D. Erni, "Design optimization of an electrowetting cell sorter chip platform," BMT 2012 - 46. DGBMT Jahrestagung, Deutsche Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Sept. 16-19, Jena, Germany, Track G: Innovative Methods in Tissue Engineering & Regenerative Medicine, Track G, pp. 59, 2012. pdf_(880_kB)

[2] B. Göllner, D. Kerkhoff, U. Michelsen, M. Padberg, F. Schreiber, and D. Erni, "Design optimization of an electrowetting cell sorter chip platform," Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik, vol. 57, no. SL-1, pp. 978-981, Sept. 2012. pdf_(846_kB)

[3] F. Schreiber, A. Rennings, and D. Erni, "Optimierung von Chip-Architekturen effizienter Zellsorter basierend auf dem Elektrowetting-Verfahren," submitted to 4. Mikrosystemtechnik-Kongress 2013 (MST 2013), VDE and Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Oct. 14-16, Eurogress, Aachen, Germany, 2013.


Literaturhinweise
[1] Uwe Herberth, Fluid Manipulation by Means of Electrowetting-On-Dielectrics. Dissertation Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, Mai 2006.
[2] J. F. Leary, "Ultra high-speed sorting," Cytometry A, vol. 67A, no. 2, pp. 76-85, Oct. 2005.
[3] J. El-Ali, P. K. Sorger, K. F. Jensen, "Cells on chips," Nature, vol. 442, pp. 403-411, July 27, 2006.
[4] J. F. Leary, C. J. Frederickson, "Flow sorting system and methods," US-Pat. No. 7452725, issued Nov.18, 2008.
[5] N. Murphy, T. J. Naughton, D. Woods, B. Henley. K. McDermott, E. Duffy, P. J. M. van den Burgt, N. Woods, "Implementations of a model of physical sorting," book chapter in From Utopian to Genuine Unconventional Computers, A. Adamatzky, C. Teuscher (Eds.), Luniver Press, 2006.
[6] S. Stepney, "The neglected pillar of material computation," Physica D, vol. 237, no. 9, pp. 1157-1164, July 1, 2008.