Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Ultrasound-controlled cell aggregation in a multi-well chip
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik, Cellens fysik.
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik, Biomedicinsk fysik och röntgenfysik.ORCID-id: 0000-0002-4720-2756
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik, Biomedicinsk fysik och röntgenfysik.
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik, Cellens fysik.ORCID-id: 0000-0002-3996-9279
Visa övriga samt affilieringar
2010 (Engelska)Ingår i: Lab on a Chip, ISSN 1473-0197, E-ISSN 1473-0189, Vol. 10, nr 20, s. 2727-2732Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

We demonstrate a microplate platform for parallelized manipulation of particles or cells by frequency-modulated ultrasound. The device, consisting of a silicon-glass microchip and a single ultrasonic transducer, enables aggregation, positioning and high-resolution microscopy of cells distributed in an array of 100 microwells centered on the microchip. We characterize the system in terms of temperature control, aggregation and positioning efficiency, and cell viability. We use time-lapse imaging to show that cells continuously exposed to ultrasound are able to divide and remain viable for at least 12 hours inside the device. Thus, the device can be used to induce and maintain aggregation in a parallelized fashion, facilitating long-term microscopy studies of, e.g., cell-cell interactions.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2010. Vol. 10, nr 20, s. 2727-2732
Nyckelord [en]
article, cell interaction, cell viability, device, human, human cell, microchip analysis, microscopy, priority journal, thermoregulation, ultrasound, ultrasound transducer
Nationell ämneskategori
Cell- och molekylärbiologi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-26656DOI: 10.1039/c004707dISI: 000282314200012Scopus ID: 2-s2.0-77957655329OAI: oai:DiVA.org:kth-26656DiVA, id: diva2:374204
Anmärkning
QC 20101203Tillgänglig från: 2010-12-03 Skapad: 2010-11-26 Senast uppdaterad: 2020-01-29Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Ultrasound-assisted Interactions of Natural Killer Cells with Cancer Cells and Solid Tumors
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Ultrasound-assisted Interactions of Natural Killer Cells with Cancer Cells and Solid Tumors
2014 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this Thesis, we have developed a microtechnology-based method for culturing and visualizing high numbers of individual cells and cell-cell interactions over extended periods of time. The foundation of the device is a silicon-glass multiwell microplate (also referred as microchip) directly compatible with fluorescence microscopy. The initial microchip design involved thousands of square wells of sizes up to 80 µm, for screening large numbers of cell-cell interactions at the single cell level. Biocompatibility and confinement tests proved the feasibility of the idea, and further investigation showed the conservation of immune cellular processes within the wells. Although the system is very reliable for screening, limitations related to synchronization of the interaction events, and the inability to maintain conjugations for long time periods, led to the development of a novel ultrasonic manipulation multiwell microdevice.

The main components of the ultrasonic device is a 100-well silicon-glass microchip and an ultrasonic transducer. The transducer is used for ultrasonic actuation on the chip with a frequency causing half-wave resonances in each of the wells (2.0-2.5 MHz for wells with sizes 300-350 µm). Therefore, cells in suspension are directed by acoustic radiation forces towards a pressure node formed in the center of each well. This method allows simultaneous aggregation of cells in all wells and sustains cells confined within a small area for long time periods (even up to several days).

The biological target of investigation in this Thesis is the natural killer (NK) cells and their functional properties. NK cells belong to the lymphatic group and they are important factors for host defense and immune regulation. They are characterized by the ability to interact with virus infected cells and cancer cells upon contact, and under suitable conditions they can induce target cell death. We have utilized the ultrasonic microdevice to induce NK-target cell interactions at the single cell level. Our results confirm a heterogeneity within IL-2 activated NK cell populations, with some cells being inactive, while others are capable to kill quickly and in a consecutive manner.

Furthermore, we have integrated the ultrasonic microdevice in a temperature regulation system that allows to actuate with high-voltage ultrasound, but still sustain the cell physiological temperature. Using this system we have been able to induce formation of up to 100 solid tumors (HepG2 cells) in parallel without using surface modification or hydrogels. Finally, we used the tumors as targets for investigating NK cells ability to infiltrate and kill solid tumors. 

To summarize, a method is presented for investigating individual NK cell behavior against target cells and solid tumors. Although we have utilized our technique to investigate NK cells, there is no limitation of the target of investigation. In the future, the device could be used for any type of cells where interactions at the single cell level can reveal critical information, but also to form solid tumors of primary cancer cells for toxicology studies.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2014. s. vi, 72
Serie
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2014:79
Nyckelord
Natural killer cell, cytotoxicity, heterogeneity, multiwell microchip, biocompatibility, ultrasonic cell manipulation, 3D cell culture, solid tumor, spheroid, high-resolution imaging
Nationell ämneskategori
Teknik och teknologier
Forskningsämne
Biologisk fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-158522 (URN)978-91-7595-419-6 (ISBN)
Disputation
2015-01-30, Sal FD5, AlbaNova Universitetscentrum, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 13:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20150113

Tillgänglig från: 2015-01-13 Skapad: 2015-01-09 Senast uppdaterad: 2015-01-13Bibliografiskt granskad
2. Ultrasonic Fluid and Cell Manipulation
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Ultrasonic Fluid and Cell Manipulation
2015 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

During the last decade, ultrasonic manipulation has matured into an important tool with a wide range of applications, from fundamental cell biological research to clinical and industrial implementations. The contactless nature of ultrasound makes it possible to manipulate living cells in a gentle way, e.g., for positioning, sorting, and aggregation. However, when manipulating cells using ultrasound, especially using high acoustic amplitudes, a great deal of heat can be generated. This constitutes a challenge, since the viability of cells is dependent on a stable physiological temperature around 37°C.

     In this Thesis we present applications of ultrasonic manipulation of fluids, particles, and cells in temperature-controlled micrometer-sized devices fabricated using well established etching techniques, directly compatible with high-resolution fluorescence microscopy. Furthermore, we present ultrasonic manipulation in larger up to centimeter-sized devices optimized for fluid mixing and cell lysis. In the present work, two new ultrasonic manipulation platforms have been developed implementing temperature control. These platforms are much improved with increased performance and usability compared to previous platforms. Also, two new ultrasonic platforms utilizing low-frequency ultrasound for solubilization and cell lysis of microliter-volumed and milliliter-volumed samples have been designed and implemented.

     We have applied ultrasound to synchronize the interaction between large numbers of immune, natural killer cells, and cancer cells to study the cytotoxic response, on a single cell level. A heterogeneity was found among the natural killer cell population, i.e., some cells displayed high cytotoxic response while others were dormant. Furthermore, we have used temperature-controlled ultrasound to form up to 100, in parallel, solid cancer HepG2 tumors in a glass-silicon multi-well microplate. Next, we investigated the immune cells cytotoxic response against the solid tumors. We found a correlation between the number of immune cells compared to the size of the tumor and the cytotoxic outcome, i.e., if the tumor could be defeated.

            Finally, the effect of high acoustic pressure amplitudes in the MPa-range on cell viability has been studied in a newly developed platform optimized for long-term stable temperature control, independent on the applied ultrasound power. Lastly, we present two applications of ultrasonic fluid mixing and lysis of cells. One platform is optimized for small microliter-sized volumes in plastic disposable chips and another is optimized for large milliliter-sized volumes in plastic test tubes. The latter platform has been implemented for clinical sputum sample solubilization and cell lysis for genomic DNA extraction for subsequent pathogen detection

Abstract [sv]

Ultraljudsmanipulering har under de senaste tio åren mognat och utvecklats till ett verktyg med ett brett användningsområde. Idag kan man finna applikationer inom allt från cellbiologisk grundforskning till industri samt sjukvård. Ultraljudsmanipuleringens kontaktlösa natur gör det till en varsam metod för att manipulera celler, till exempel inom positionering, sortering och aggregering. När ultraljud med hög amplitud används kan värmeutvecklingen, som är oundviklig, bli ett problem. För att kunna säkerställa hög cellviabilitet krävs temperaturkontroll som kan hålla en fysiologisk, stabil temperatur på 37°C.

     I denna avhandling presenterar vi tillämpningar av temperaturkontrollerad ultraljudsmanipulering i mikrometerstora anordningar fabricerade med väletablerade etsningstekniker.  Dessa anordningar är optimerade för att vara fullt kompatibla med högupplöst fluorescensmikroskopi.  Vi demonstrerar även ultraljudsmanipulering i centimeterstora anordningar optimerade för omrörning och blandning av vätskor samt lysering av celler. Två nya plattformar för ultraljudsmanipulering med inbyggd temperaturkontroll har utvecklats. Dessa två plattformar erbjuder ökad prestanda, flexibilitet samt även användarvänlighet. Utöver dessa plattformar har ytterligare två anordningar för lågfrekvent ultraljudssolubilisering och cellysering av mikroliter- och milliliterstora prover konstruerats.

     I denna avhandling har vi tillämpat ultraljud för att synkronisera interaktionen mellan populationer utav immunceller (natural killer-celler) och cancerceller för att på cellnivå studera det cytotoxiska gensvaret. Vi fann en heterogenitet hos immuncellspopulationen. Det manifesterade sig i en fördelning av immuncellerna, från celler med stort cytotoxiskt gensvar till inaktiva immunceller. Vi har dessutom använt temperaturkontrollerad ultrasljudsmanipulering för att skapa solida cancertumörer utav HepG2-cancerceller, upp till 100 stycken parallellt, i en multihåls-mikrotiterplatta bestående av glas och kisel. Med hjälp av dessa tumörer har vi studerat det cytotoxiska gensvaret från immuncellerna. Vi fann att förhållandet mellan antalet immunceller och storleken på tumören bestämde utfallet, det vill säga om tumören kunde bekämpas.

     Vi presenterar dessutom effekten utav högamplitudsultraljudsexponering av cancerceller i en plattform speciellt designad för höga tryckamplituder med implementerad ultraljudseffektsoberoende temperaturkontroll. Slutligen presenterar vi två tillämpningar av ultraljud för vätskeblandning och cellysering. Den första tillämpningen är anpassad för små volymer i plastchip för engångsbruk och den andra är optimerad för större volymer i plastprovrör. Den senare tillämpningen är speciellt framtagen för ultraljudssolubilisering och cellysering utav kliniska sputumprover för att möjliggöra DNA-extrahering för detektion av smittämnen.     

 

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. s. ix, 68
Serie
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2015:24
Nyckelord
3D cell culture, Acoustic streaming, Acoustofluidics, Cell manipulation, High-resolution imaging, Multi-well, Microplate, Natural killer cell, Piezo, Radiation force, Solid tumor, Solubilization, Spheroid, Standing wave, Temperature control, Transducer, Trapping, Ultrasonic
Nationell ämneskategori
Annan fysik
Forskningsämne
Fysik; Biologisk fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-166779 (URN)978-91-7595-559-9 (ISBN)
Disputation
2015-06-12, AlbaNova FD5, Roslagstullsbacken 21, KTH, Stockholm, 13:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20150522

Tillgänglig från: 2015-05-22 Skapad: 2015-05-18 Senast uppdaterad: 2020-01-29Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Manneberg, OttoOhlin, MathiasHertz, Hans M.Önfelt, Björn

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Vanherberghen, BrunoManneberg, OttoChristakou, AthanasiaFrisk, ThomasOhlin, MathiasHertz, Hans M.Önfelt, BjörnWiklund, Martin
Av organisationen
Cellens fysikBiomedicinsk fysik och röntgenfysik
I samma tidskrift
Lab on a Chip
Cell- och molekylärbiologi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 238 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf