Monitoring cellular deformability into a lab-on-a-chip device

Cancer is one of the most pervasive diseases and a major health concern, and metastases, which is defined as the spread of cancer to distant organs, is one of the leading causes of death in cancer. There is a urgent need to find new techniques to be introduced in the clinical routine, less-invasive, not spatially and temporally limited and that would be able to identify the presence of the disease in the early stages, not only when the tumour mass is composed of a group of a few cells, but even when groups of rare cells flow freely throughout the body yet without a specific target to attack. At the same time, being non-invasive and reproducible, these techniques would allow to monitor the patient response to therapy enabling the transition to personalized medicine. The biomechanical changes of potential circulating tumour cells (CTCs) can be used as important biomarker to detect them in the blood stream. In fact, cancer cells have an altered stiffness compared to their benign or healthy counterparts, generally being softer and with greater motility and, as a result, have a higher likelihood of migrating to other parts of the body. Cell deformability can thus act as a useful label-free biomarker to identify cancer cells in a sample population, and has the potential for use in cancer diagnostic applications.The device proposed in this thesis work would be able to identify the presence of even a few tumor cells in the bloodstream, providing an important tool for early detection of cancer and to monitor the presence of CTCs in the blood flow in response to therapy. It is based on the ability to successfully perform a single cell analysis in a sample while ensuring high throughput and high sensitivity. The device that would make these things possible has the features of an optofluidic integrated laboratory of analysis of micrometric dimensions. The working principle relies on driving the cells, dispersed in a solution flowing inside a microfluidic channel, through a constriction smaller than their diameter and measuring the time needed for the cells to deform and pass through the constriction. From their transit time it is possible to extract information on the tensor matrix of deformability of the cells. Intuitively, the less compliant the cell is to a deformation, the longer would be its transit time and vice versa. The innovative characteristics of the proposed device concern its geometry design and manufacturing method, and the new detection method based exclusively on integrated photonics.

Il cancro è una delle malattie più diffuse ed è la principale fonte di preoccupazione per la salute. Il processo della metastasi, de nito come la diffusione del tumore ad organi distanti, è una delle principali cause di morte nel cancro. C'è l'urgente necessità di trovare nuove tecniche da introdurre nella routine clinica, che siano prima di tutto meno invasive e non limitate spazialmente e temporalmente, e inoltre che abbiano un'elevata sensitività in modo da consentire l'identifi cazione della presenza della malattia veramente nelle fasi iniziali, ovvero non solo quando la massa tumorale è composta da un gruppo di poche cellule, ma già quando gruppi di cellule rare girano indisturbate in tutto il corpo senza ancora un vero bersaglio da colpire. Allo stesso tempo, in quanto tecniche non invasive e facilmente ripetibili, permetterebbero anche di monitorare la risposta del paziente alla terapia facilitando il passaggio verso la medicina personalizzata. I cambiamenti biomeccanici delle cellule potenzialmente tumorali circolanti (CTC) possono essere utilizzati come importante biomarker per poterne identi care la presenza nel flusso sanguigno. Infatti, le cellule potenzialmente tumorali hanno generalmente una rigidità diversa rispetto alle loro controparti benigne o sane, e di conseguenza, nel caso siano più flessibili e con una maggiore motilità, sono facilitate nel muoversi attraverso vasi e capillari raggiungendo e insediandosi in altre parti del corpo. In alcuni casi quindi, la deformabilità cellulare può agire come un importante label-free biomarker per identfii care le cellule tumorali in un campione di cellule, e ha quindi il potenziale per essere utilizzata in applicazioni diagnostiche del cancro. Il dispositivo proposto in questo lavoro di tesi potrebbe permettere di identifi care la presenza nel flusso sanguigno anche solo di poche cellule tumorali, fornendo un'importante strumento per una diagnosi precoce del tumore. Esso si basa sulla capacità di effettuare con successo un'analisi di ciascuna singola cellula in un campione garantendo allo stesso tempo un elevato rendimento e una elevata sensibilità. Inoltre, essendo una tecnica non invasiva, darebbe la possibilità di monitorare la presenza di CTC nel flusso sanguigno in risposta alla terapia. Il dispositivo che può permettere tutto questo ha le vesti di un laboratorio integrato di analisi optofluidico di dimensioni micrometriche. Il principio di funzionamento si basa sul far fluire le cellule attraverso una strettoia più piccola del loro diametro e misurare il tempo necessario per ciascuna cellula per deformarsi e passare attraverso la strettoia. Dal loro tempo di transito è possibile estrarre informazioni sulla matrice tensoriale di deformabilità delle cellule. Intuitivamente, meno la cellula è propensa ad una deformazione, più lungo sarà il suo tempo di transito e viceversa. Le caratteristiche innovative del dispositivo proposto riguardano la progettazione della geometria, il suo metodo di fabbricazione, nonchè l'innovativo metodo di rilevamento basato esclusivamente sulla fotonica integrata.