Deformability Cytometry (DC) umfasst Technologien, die Zellverformungen durch Flusskräfte induzieren, um dadurch ihre mechanischen Eigenschaften zu messen. Typischerweise werden Zellen dabei hydrodynamischen Spannungen in Mikrokanälen ausgesetzt, während Hochgeschwindigkeitskameras Bilder der verformten Zellen aufnehmen. Während traditionelle Methoden zur Zellmechanik nur einige hundert Zellen pro Stunde messen können, hat DC den Durchsatz auf tausende Zellen pro Sekunde erhöht, was die klinische Anwendung von Zellverformungs-Assays erleichtert (1).
Unsere Gruppe hat Real-Time Deformability Cytometry (RT-DC) entwickelt, vorgestellt in 2015 von Otto et al. Diese mikrofluidische Methode ist darauf ausgelegt, die mechanischen Eigenschaften von Zellen Label-frei und in Echtzeit kontinuierlich zu messen, mit Durchsatzraten von über 3.000 Ereignissen pro Sekunde (2,3). Weiterentwicklungen von Rosendahl et al. umfassten Erweiterungen für gleichzeitige Fluoreszenzmessungen (4), während Nawaz et al. durch maschinelles Lernen unterstützte Sortierung hinzufügten (5).
Bei RT-DC fließen die Zellen durch einen engen Mikrokanal, der nur wenig breiter ist als der Zelldurchmesser, angetrieben durch Spritzenpumpen. Die Zellen werden durch hydrodynamische Spannungen auf der Zelloberfläche verformt und durch ein invertiertes Mikroskop abgebildet. Am Ende des Kanals wird ein ein Schnappschuss der Zelle von einer CMOS-Kamera aufgenommen.
Wir quantifizieren die Verformung einer Zelle, indem wir berechnen, wie stark die Kontur von einem perfekten Kreis abweicht (siehe Bild unten). Aus der Größe und Verformung der Zellen können wir die Zellsteifigkeit berechnen, die durch das Elastizitätsmodul (Youngscher Modul) quantifiziert wird (6–8).
RT-DC ist in der Lage, verdünnte Vollblutproben zu analysieren und die wichtigsten Blutzelltypen ohne Färbung oder Anreicherung zu identifizieren (9). Es wurde bereits verwendet, um Veränderungen der Verformbarkeit von roten Blutkörperchen bei Krankheiten wie Sphärozytose oder Malariainfektionen, sowie Veränderungen der Verformbarkeit von roten und weißen Blutkörperchen bei Infektionskrankheiten zu erkennen (9). Unsere Forschung zeigte zudem, dass Neutrophile während einer akuten Covid-19-Infektion weicher wurden und dieser Effekt auch nach der Heilung anhielt (10).
Neben Blut, wo die Zellen bereits in Suspension vorliegen, wurde der Anwendungsbereich auch auf Gewebebiopsien erweitert. Die Gewebe werden mit einem Gewebezerkleinerer (Tissue Grinder) in Einzellsuspensionen zerlegt und dann mit RT-DC analysiert. Auf diese Weise konnten entzündete und krebsartige Darmgewebeproben zuverlässig von gesunden Proben unterschieden werden (11).
Zu den jüngsten Fortschritten gehören mikrofluidische Messungen der viskoelastischen Zelleigenschaften. Während RT-DC nur elastische Eigenschaften misst, weisen Zellen auch eine Zeitkomponente für die Verformung auf – eine Eigenschaft, typisch für Flüssigkeiten (Viskosität). Um dies zu adressieren, haben wir hyperDC entwickelt – eine Hochdurchsatzmethode für viskoelastische Messungen in hyperbolischen Mikrokanälen (12). Darüber hinaus entwickeln wir shear-flow DC (sfDC) weiter und integrieren gleichzeitige Fluoreszenzbildmessungen (13).
Zur Konstruktion und Herstellung unserer mikrofluidischen Chips arbeiten wir eng mit der Lab-on-a-Chip TDSU am MPL zusammen.
[1] Urbanska M, Muñoz HE, Shaw Bagnall J, Otto O, Manalis SR, Di Carlo D, et al. A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements. Nat Methods. 2020. 17(6):587–593. https://doi.org/10.1038/s41592-020-0818-8
[2] Otto O, Rosendahl P, Mietke A, Golfier S, Herold C, Klaue D, et al. Real-time deformability cytometry: on-the-fly cell mechanical phenotyping. Nat Methods. 2015. 12(3):199–202. https://doi.org/10.1038/nmeth.3281
[3] Urbanska M, Rosendahl P, Kräter M, Guck J. High-throughput single-cell mechanical phenotyping with real-time deformability cytometry. In: Methods in Cell Biology. Academic Press, 2018. p. 175–198. https://doi.org/10.1016/bs.mcb.2018.06.009
[4] Rosendahl P, Plak K, Jacobi A, Kraeter M, Toepfner N, Otto O, et al. Real-time fluorescence and deformability cytometry. Nat Methods. 2018. 15(5):355–358. https://doi.org/10.1038/nmeth.4639
[5] Nawaz AA, Urbanska M, Herbig M, Nötzel M, Kräter M, Rosendahl P, et al. Intelligent image-based deformation-assisted cell sorting with molecular specificity. Nat Method. 2020. 17(6):595–599. https://doi.org/10.1038/s41592-020-0831-y
[6] Mietke A, Otto O, Girardo S, Rosendahl P, Taubenberger A, Golfier S, et al. Extracting Cell Stiffness from Real-Time Deformability Cytometry: Theory and Experiment. Biophys J. 2015. 109(10):2023–2036. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.09.006
[7] Mokbel M, Mokbel D, Mietke A, Träber N, Girardo S, Otto O, et al. Numerical Simulation of Real-Time Deformability Cytometry To Extract Cell Mechanical Properties. ACS Biomater Sci Eng. 2017. 3(11):2962–2973. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.6b00558
[8] Wittwer LD, Reichel F, Müller P, Guck J, Aland S. A new hyperelastic lookup table for RT-DC. Soft Matter. 2023. 19(11):2064–2073. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.09.006
[9] Toepfner N, Herold C, Otto O, Rosendahl P, Jacobi A, Kräter M, et al. Detection of human disease conditions by single-cell morpho-rheological phenotyping of blood. eLife. 2018. 7:e29213. https://doi.org/10.7554/eLife.29213
[9] Kubánková M, Hohberger B, Hoffmanns J, Fürst J, Herrmann M, Guck J, et al. Physical phenotype of blood cells is altered in COVID-19. Biophys J. 2021. 120(14):2838–2847. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2021.05.025
[11] Soteriou D, Kubánková M, Schweitzer C, López-Posadas R, Pradhan R, Thoma OM, et al. Rapid single-cell physical phenotyping of mechanically dissociated tissue biopsies. Nature Biomedical Engineering. 2023. 7:1392-1403. https://doi.org/10.1038/s41551-023-01015-3
[12] Reichel F, Goswami R, Girardo S, Guck J. High-throughput viscoelastic characterization of cells in hyperbolic microchannels. Lab Chip. 2024. 24(9):2440–2453. https://doi.org/10.1039/D3LC01061A
[13] Gerum R, Mirzahossein E, Eroles M, Elsterer J, Mainka A, Bauer A, et al. Viscoelastic properties of suspended cells measured with shear flow deformation cytometry. eLife. 2022. 11:e78823. https://doi.org/10.7554/eLife.78823
