Discrimination of Malignant and Non-Malignant Urinary Bladder Cells Using Microfluidic Constriction Deformation Cytometry

Abstract

Kreft er en av de ledende dødsårsakene på verdensbasis og forårsaket en av seks dødsfall i 2020. For å redusere dødeligheten er screening og tidlig diagnose avgjørende. Studier gjort på forskjellige krefttyper, viser at for noen kreftformer reduseres stivheten eller Youngs modulus til kreftcellene parallelt med økende spredningspotensial. Et høyere spredningspotensial er assosiert med høyere dødelighet og mekanisk fenotyping av celler kan være en lovende teknikk for å stille diagnose. Den mekaniske fenotypen til celler kan måles med enkelt-celle-teknikker som atomærkraftmikroskop (AFM) eller mikropipetteaspirasjon. Disse teknikkene gir en lav gjennomstrømming av celler, som vil si at det tar lang tid å analysere mange celler.

Deformasjonscytometri muliggjør høy gjennomstrømmingsanalyse for enkeltceller ved å utnytte mikrofluidikk. I denne hovedoppgaven har en mikrofluidisk plattform for å utføre deformasjonscytometri blitt utviklet, hvor celler ledes gjennom en konstriksjonsregion der tverrsnittet til kanalen er mindre enn cellens dimensjoner. Trykkgradienten tvinger celler til å deformeres for å få plass i kanalen og bevege seg gjennom en 300 mikrometer lang konstriksjonsregion. Cellene observeres gjennom et lysmikroskop og filmes med et høyhastighetskamera, og parametere som inngangstid, passasjetid, utgangstid og areal innhentes av et Pythonscript.

I dette arbeidet har blærekreftceller fra den ondartede cellelinjen T24 blitt brukt, i tillegg til ikke-ondartede blære-epitelceller fra cellelinjen HCV29. Resultatene viser noen forskjeller mellom ondartede og ikke-ondartete celletyper. De ondartete cellene virker å ha en mindre størrelsesavhengig passasjetid, som vil si at tiden cellene bruker på å passere konstriksjonsregionen er relativt lik for store og små celler. Dette kan tyde på at disse cellene har en høyere grad av deformerbarhet enn ikke-ondartede.

Cancer is a leading cause of death worldwide, with one in six deaths being linked to cancer in 2020. To reduce the morbidity rate, screening and early diagnosis is crucial. Studies have shown that for some cancers, the stiffness or Young's modulus is reduced with increased metastatic potential. As a higher metastatic potential is associated with a higher morbidity rate, mechanical phenotyping of cells could be a propitious avenue for diagnosis.

The mechanical phenotype of a cell can be measured by single-cell techniques such as atomic force microscopy (AFM) or micropipette aspiration. These techniques provide low throughput measurements of cells and are demanding to use.

Deformation cytometry allows for high throughput analysis of single cells by utilizing microfluidics. A microfluidic constriction deformation cytometry platform has been developed during this thesis, where cells are guides through a microfluidic channel with a constriction region in which the channel dimensions are smaller than that of the cell. The pressure gradient forces cells to comply to a reduced channel dimension and to travel through a 300 micro meter long constriction region. The cells are observed through a microscope and recorded with a high-speed camera, and parameters such as entry time, transit time, exit time and area are gathered by a Python script.

In this work, the malignant bladder cancer cell line T24 and the non-malignant bladder epithelium cell line HCV29 are used. The results show some differences in transit time between malignant and non-malignant cell types. In particular, the malignant cells seem to have a less size-dependent transit time, meaning that the time it takes for the cells to be transported through the constriction channel is similar for smaller and larger cells, which could suggest a higher degree of deformability than the non-malignant cells.