Deformability cytometry at high throughput for single cancer cell analysis

Cell deformability is a label-free marker for cell phyisology. Various studies confirmed deformability as valuable indicator of health or diseased cell state. It is generally accepted that, cancer cells show softer behavior to normal cells. Constriction-based deformability cytometry(cDC) has the potential of achieving high throughput single-cell analysis, analyzing the cell passage in a micro-constriction. Entry time is proposed as a reliable quantities for deformability assessment in cDC. Unfortunately, the cDC solutions for measuring the entry time are only performed thanks to high-speed camera imagining. The process is characterized by time-consuming post-processing, bulky devices needed for measurement (microscopic optical systems), and expensive vision systems that limit throughput and portability. High throughput and portability are key requirements for use in the clinical prognostic phase of various diseases. In this work, some steps useful for the development of a portable and high-throughput device that implement direct entry time measurement are described. Prototyping is performed thanks to femtosecond laser micromachining followed by chemical etching (FLICE), that allows fabrication at fast pace. A first attempt was done for testing a device designed for transit time measurement. Then, the prototyping was aimed to develop a device for entry time detection, realizing fiber entrance terminating with an integrated waveguide in fused silica. Since different issues arise if we want to get closer to the micro-constriction and sense specific part of the cell transit, particular attention is given to the fabrication of an in-bulk waveguide. A concept manufacturing was performed, analyzing benefits and drawbacks of the different proposed solutions.

La deformabilità delle cellule è un marcatore intrinseco della fisiologia cellulare. Diversi studi hanno confermato che la deformability è un indicatore utile per distinguere cellule sane da cellule malate. È comunemente accettato che le cellule tumorali sono più soffici di cellule sane. La citometria di deformabilità basata su strettoie (cDC) per l’analisi di single cellule può raggiungere alti rendimenti in termini di cellule processate al secondo. Questa tecnica sfrutta l’analisi del passaggio della cellula attraverso una strettoia per stimare la deformabilità. Il tempo di entrata nella strettoia è stato da tempo proposto come grandezza utile per valutare la deformabilità della cellula nella cDC. Sfortunatamente, cDC per la misura del tempo di entrata è realizzato soltanto attraverso misure con telecamere ad alto frame-rate oppure in tecniche portabile approssimando il tempo di entrata con il passaggio in strettoia. Il procedimento è caratterizzato da un lento processamento dei dati, dispositivi ingombranti necessari per la misura (in genere microscopi ottici), e costosi sistemi di vision che limitano il velocità di processamento e la portabilità. In questo lavoro, sono descritti alcuni passaggi utili allo sviluppo di un dispositivo portatile che realizzi una misura diretta del tempo di entrata. Prototipaggio è realizzato grazie al femtosecond laser micromachining seguito da chemical etching, questa tecnica consente la fabbricazione con un ritmo rapido. Un primo tentativo è stato fatto per testare un dispositivo disegnato per il rilevamento del tempo di transito. Sucessivamente il prototipaggio è stato rivolto allo sviluppo di un dispositivo per il rilevamento del tempo di entrata. Dato che diverse difficoltà emergono se vogliamo avvicinare il rilevamento ottico alla strettoia, e misurare una parte specifica del transito della cellula nella strettoia, particolare attenzione è posta allo sviluppo di una guida d’onda integrata. Un’idea di manufacturing è stata sviulppata, limiti e vantaggi delle soluzioni proposte sono analizzati.