Design and testing of a microfluidic hyperbolic channel to assess single cell deformation in a homogeneous extensional flow

The mechanical properties of cells are of primary importance in the clinical scientific community as they have proven valuable biomarkers of physio-pathological conditions such as metastatic potential of cancer cells, differentiation state of stem cells, immune status and more. Unlike common techniques for the cell characterization, mechanical tests are label free and, with the widespread use of microfluidics, a drastic increase in throughput has been achieved. In this perspective, this works aims at designing a microfluidic channel to assess single cell mechanical properties in a homogeneous extensional flow. In fact, the extensional component is as important as the shear one in the complex flow occurring inside the body: the choice of the peculiar hyperbolic shape lies just in obtaining this complex mixture, unlike the majority of works in literature not regarding at this aspect (straight and cross shaped channels). Importantly, cells are deformed in a contact less manner by solely fluid induced forces. The analysis of fluid dynamic parameters by means of CFD simulations and the experimental campaign on two cell lines allowed to identify the parameters playing a role in deforming cells. In particular, the size and shape of the channels, the flow rates and the viscosity of the fluids employed have been investigated. The deformation was calculated from geometrical parameters extracted from the images of cells flowing inside the channels, observed in bright field microscopy and recorded with a high-speed camera. It was possible to discriminate the difference in deformation of the two cell lines and of cells fixed and treated with a cytoskeletal affecting drug. Diverse deformation modes were observed in channels of different shape and correlated with the respective fluid dynamic parameters (mainly velocity and its derivatives). In conclusion, this work offers an optimized, simple device to measure cell deformability in a fast and effective way. With further improvement of the setup thus of image quality, this platform could be employed for the characterization of biological samples of clinical relevance in the future (e.g. biopsies from cancer patients).

Le proprietà meccaniche della cellula sono di grande interesse in quanto rappresentano un indicatore per importanti situazioni fisio-patologiche come potenziale metastatico di cellule (sospette) cancerogene, stato di differenziazione di cellule staminali, attivazione del sistema immunitario ed altre ancora. A differenza delle comuni tecniche di caratterizzazione della cellula, i test meccanici non richiedono l'uso di alcuna molecola aggiuntiva; inoltre, con l'uso delle sempre più diffuse piattaforme microfluidiche, la rapidità ed efficienza con cui si eseguono i test aumenta drasticamente rispetto alle tecniche di routine. In questa prospettiva, lo scopo di questo lavoro è la progettazione di un canale microfluidico per testare la deformabilità di cellule soggette a flusso estensionale omogeneo. La componente estensionale è, infatti, di almeno pari importanza rispetto a quella di taglio nei complessi campi di flusso che hanno luogo nel corpo umano: per questa ragione è stata impiegata una geometria iperbolica in grado di fornire una combinazione delle due, senza contatto fra le cellule e le pareti dei canali. L'analisi dei parametri fluidodinamici mediante simulazioni numeriche e la campagna sperimentale su cellule di linea derivate da leucemia hanno permesso di indentificare i parametri responsabili della deformazione delle cellule in ciascun caso studiato. In particolare, la dimensione e la forma dei canali, le portate e le caratteristiche reologiche del fluido sono state investigate ed il loro effetto sulla deformazione osservata sperimentalmente discusso. La deformazione è stata calcolata da parametri geometrici estratti dalle immagini delle cellule mentre fluiscono nel canale, da cui l'estrema importanza della qualità delle immagini acquisite. É stato possibile distinguere la deformazione delle due linee cellulari e di cellule fissate o trattate con un farmaco che modifica il citoscheletro. Differenti modalità di deformazione sono state osservate nei canali di diversa forma e correlate con i rispettivi parametri fluidodinamici (principalmente la velocità e le sue derivate). In conclusione, questo lavoro offre un dispositivo ottimizzato nella geometria e nei parametri di funzionamento per misurare la deformabilità di cellule in modo semplice, rapido ed efficace. Con miglioramenti del setup sperimentale ed affinamento della qualità delle immagini, la piattaforma presentata potrà essere sfruttata per misurazioni su campioni biologici clinicamente rilevanti (es. biopsie da pazienti affetti da cancro).