Sortieren nach Verformbarkeit

Mithilfe von Simulationen auf dem Jülicher Superrechner JURECA haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich nun einen Weg gefunden, die Deformierbarkeit von roten Blutkörperchen in mikrofluidischen Apparaten durch eine Modifikation vo DLD-Systeme günstig, schnell und einfach zu messen. DLD (deterministic lateral displacement) ist eine relativ einfache und für den klinischen Alltag relevante Methode, mit der sich Zellen gemäß ihrer Größe trennen lassen.

Bei dem Verfahren strömen Zellen in einer Flüssigkeit durch eine gitterartige Anordnung von stabförmigen Hindernissen. Je nach Größe durchlaufen sie dabei unterschiedliche Bahnen. Partikel, die deutlich kleiner sind als die Abstände zwischen den Hindernissen, strömen praktisch ungehindert zwischen diesen hindurch. Objekte, die ähnlich groß oder größer sind, werden dagegen seitlich abgelenkt und „herausgesiebt“.

Computersimulationen haben nun ergeben, dass sich mit einer solchen Anordnung von Hindernissen nicht nur die Größe, sondern auch die Elastizität der Zellen bestimmen lässt – wenn man anstelle der bisher üblichen runden Trennstäbe ein Gitter aus scharfkantigen Stäben benutzt. Die weichen Blutzellen verbiegen sich teilweise sehr stark, wenn sie eine der scharfen Kanten umströmen. Wie stark sie sich verformen, hat Auswirkungen darauf, auf welcher Seite sie das nächste Stäbchen passieren – was sich zum Sortieren der Zellen nach dem Grad ihrer Verformbarkeit ausnutzen lässt. Beim Zusammenstoß mit klassischen runden Trennstäben behalten die Zellen dagegen eher ihre Form bei, sodass die Trennung mit diesen nicht funktioniert.

„Wir gehen davon aus, dass es möglich ist, auf der Basis dieses Konzepts ein Gerät für medizinische Zwecke zu entwickeln. Die Feinabstimmung der optimalen experimentellen Bedingungen steht allerdings noch aus“, erklärt Dmitry Fedosov vom Jülicher Institute of Complex Systems. Die Sortierung von Zellen und anderen Mikropartikeln durch speziell geformte Hindernisse wurde bereits vorher experimentell verfolgt – allerdings primär nach dem Trial-and-Error-Verfahren. Die Simulationen der Wissenschaftler um Dmitry Fedosov zeigen nun im Detail, wie sich rote Blutkörperchen bei der Umströmung verschieden geformter Hindernisse – runde, dreieckige, rauten- und trapezförmige – verhalten. Auch auf andere Zelltypen soll die Technik prinzipiell anwendbar sein.

FZJ / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Zhang et al.: Sharp-edged geometric obstacles in microfluidics promote deformability-based sorting of cells, Phys. Rev. Fluids 4, 024201 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevFluids.4.024201
• Theorie der weichen Materie und Biophysik (G. Gompper), Forschungszentrum Jülich