title: High-Throughput Viscoelastic Characterization of Cells in Microchannels
Creators: name: Reichel, Felix
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: cell viscoelasticity, cell mechanics, microfluidics, hydrogel beads, deformability cytometry, mechanocytometry, biophysics
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::53 Physik::532 Mechanik der Fluide

description: Extensive research has showcased the potential of cell viscoelastic properties as intrinsic markers of cell state, functionality, and disease. While various techniques have been developed to measure cell viscoelasticity, most lack the throughput required for clinical diagnostics. Microfluidic techniques were designed to enhance throughput, but available designs lead to intricate stress distributions on the cell surface, complicating the analysis of a stress-strain relation. This thesis aims to bridge this gap by presenting a high-throughput framework offering a straightforward stress-strain relation for a direct derivation of viscoelastic properties. Microfluidic cell deformability techniques frequently employ a carrier solution of methyl cellulose (MC). These solutions exhibit complex stresses in flow and a complete description of shear and normal stresses at high shear rates was not reported before. In a comprehensive study, the shear rheology of MC solutions was measured at shear rates up to 150 000 1/s, providing the first results at these shear rates and revealing the viscoelastic nature of these solutions. I analyzed these measurements to derive constitutive equations for calculating the stresses of MC solutions in microchannel flow. These results were employed to model the flow in real-time deformability cytometry (RT-DC), a prominent microfluidic technique for measuring cell elasticity. I developed a protocol and analysis pipeline to extend RT-DC for viscoelasticity measurements. Simultaneously, simulations were created to match experimental conditions, revealing discrepancies between simulation and experiment. The main reason for the mismatch was identified as an incomplete modeling of the viscoelastic contributions of the MC solutions. Furthermore, the simulations unveiled a complex stress-strain relation for RT-DC experiments. To address this, I proposed a hyperbolic channel design to create a well-defined and constant stress along the flow axis, simplifying the viscoelastic analysis. I validated this approach by determining deformation timescales through measurements on oil droplets with varying viscosities and the stiffness of mechanical calibration particles from polyacrylamide (PAAm) microgels. Subsequently, the hyperbolic channels were then employed on human leukemia cell line HL60 cells, demonstrating that changes in cell viscoelasticity due to interference with the cytoskeleton could be measured. This showcases the approach as a streamlined and time-efficient solution for assessing the viscoelastic properties of large cell populations and other microscale soft particles. The concepts outlined here are already routinely used for the analysis of RT-DC experiments. The results presented in this thesis offer valuable insights for the fields of cell mechanics, deformability cytometry, and fluid mechanics of complex liquids, with wide-ranging applications in cell research or diagnostics.
description: Umfangreiche Forschung hat das Potenzial viskoelastischer Zelleigenschaften zur Charakterisierung von Zellzustand, -funktionalität oder Krankheiten aufgezeigt. Obwohl verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Zellviskoelastizität entwickelt wurden, fehlt es den meisten an der erforderlichen Durchsatzleistung für die klinische Diagnostik. Mikrofluidische Methoden wurden entwickelt, um den Durchsatz zu erhöhen, aber vorhandene Designs führen zu komplexen Spannungsverteilungen auf der Zelloberfläche, was die Analyse einer Spannungs-Dehnungs-Beziehung erschwert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen, indem ein Hochdurchsatz-Ansatz vorgestellt wird, der eine einfache Spannungs-Dehnungs-Beziehung für eine direkte Ableitung viskoelastischer Eigenschaften bietet. Mikrofluidische Zelldeformationsmethoden verwenden häufig eine Trägerlösung aus Methylzellulose (MC). Diese Lösungen zeigen komplexe Spannungen im Kanalfluss, und eine umfassende Beschreibung von Scher- und Normalspannungen bei hohen Scherraten war bisher nicht bekannt. In einer umfassenden Studie wurde die Scherrheologie von MC-Lösungen bei Scherraten von bis zu 150 000 1/s gemessen, wodurch die ersten Ergebnisse bei diesen Scherraten gezeigt und die viskoelastischen Eigenschaften dieser Lösungen aufgedeckt wurden. Diese Messungen wurden von mir analysiert und ich habe Gleichungen zur Berechnung der Kräfte von MC-Lösungen im Mikrokanalfluss hergeleitet. Diese Ergebnisse wurden verwendet, um den Fluss in Real-Time Deformability Cytometry (RT-DC) zu modellieren, einer verbreiteten, mikrofluidischen Methode zur Messung der Zellelastizität. Ich habe ein Protokoll und eine Analyse-Pipeline entwickelt, um RT-DC für viskoelastische Messungen zu erweitern. Gleichzeitig wurden Simulationen entwickelt, die die experimentellen Bedingungen nachbilden, wobei Diskrepanzen zwischen Simulation und Experiment auftraten. Die unvollständige Modellierung der viskoelastischen Eigenschaften der MC-Lösungen wurde als der Hauptgrund für diese Unterschiede ausgemacht. Darüber hinaus zeigten die Simulationen ein komplexes Spannungs-Dehnungs-Verhältnis für RT-DC-Experimente. Um die viskoelastische Analyse zu vereinfachen, entwickelte ich ein hyperbolisches Kanaldesign, um eine gut definierte und konstante Spannung entlang der Flussachse zu erzeugen. Ich validierte diesen Ansatz durch Messungen der Verformungszeitskalen von Öltropfen mit unterschiedlichen Viskositäten und der Steifigkeit von mechanischen Kalibrierungspartikeln aus Polyacrylamid (PAAm)-Mikrogelen. Anschließend wurden Zellen der humanen Leukämiezelllinie HL60 in den hyperbolischen Kanälen gemessen und gezeigt, dass Veränderungen der Zellviskoelastizität aufgrund von Veränderungen des Zytoskeletts auftraten. Dies unterstreicht die Effektivität und Zeitersparnis dieses Ansatzes zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften großer Zellpopulationen und anderer verformbarer Partikel im Mikrometerbereich. Die hier dargelegten Konzepte werden bereits routinemäßig zur Analyse von RT-DC-Experimenten verwendet. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Bereiche Zellmechanik, Verformbarkeitszytometrie und Strömungsmechanik komplexer Flüssigkeiten, mit vielfältigen Anwendungen in der Zellforschung oder Diagnostik.