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 / 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. / <p>QC 20150522</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-166779 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Ohlin, Mathias |
| Publisher | KTH, Biomedicinsk fysik och röntgenfysik, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-FYS, 0280-316X ; 2015:24 |
Page generated in 0.2634 seconds