WO2014006145A1 - Device and method for characterising cells - Google Patents

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WO2014006145A1
WO2014006145A1 PCT/EP2013/064163 EP2013064163W WO2014006145A1 WO 2014006145 A1 WO2014006145 A1 WO 2014006145A1 EP 2013064163 W EP2013064163 W EP 2013064163W WO 2014006145 A1 WO2014006145 A1 WO 2014006145A1
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WO
WIPO (PCT)
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sample
temperature
cells
laser
heating
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/064163
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German (de)
French (fr)
Inventor
Josef Alfons KÄS
Tobias Kiessling
Anatol FRITSCH
Roland Stange
Original Assignee
Universität Leipzig
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1456Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N2015/1006Investigating individual particles for cytology
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N2015/1497Particle shape

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for characterizing cells based on the temperature dependence of their mechanical properties.
  • EP 1 059 871 B1 discloses an optical straightener which enables contactless positioning and deformation of dielectric particles in a two-beam laser trap.
  • the two lasers have, in contrast to an optical tweezer, a slightly divergent beam path.
  • the laser beams have different propagation speeds due to the different refractive indices of the organic material and the surrounding solution, inside and outside the sample.
  • an impulse is transmitted to both when entering and exiting the laser beams from the sample. This results in forces acting perpendicular to the surface of the sample which, when the refractive index of the sample is higher than that of the solution, cause the sample to stretch along the optical axis of the laser beams.
  • tumor cells show this behavior only in a range of mechanical stresses in which a linear deformation of the cell is to be expected.
  • this limitation on the mechanical stresses to be exerted on the cell is difficult to realize given ignorance of the temperature dependence of the biomechanical properties of cancer cells. This results in the risk of unreliable or false statements in the differentiation of diseased and healthy tissue.
  • the object of the invention is therefore to provide an apparatus and a method for determining the temperature dependence of the mechanical properties of cells, tissue samples or particles. Furthermore, a new method for the reproducible characterization and differentiation of cells is proposed, which allows the diagnosis of cancers and the optimization of methods for the screening of substances as potential medicinal agents.
  • the temperature dependence of the mechanical properties of cells, tissue samples and particles can be achieved according to the invention with a device comprising:
  • a measuring chamber for receiving a sample contained in a liquid, preferably in an aqueous solution
  • At least one detector for determining the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample
  • the temperature dependence of biomechanical sizes is a conserved size in cells of the same cell type.
  • the device according to the invention can thus be used for the characterization of cells, tissue samples or particles, for example subcellular structures.
  • the device according to the invention has a measuring chamber for receiving a sample present in a liquid (hereinafter also solution), preferably an aqueous solution.
  • a liquid hereinafter also solution
  • the samples are preferably biological samples, particularly preferably cells, in particular living cells
  • the measuring chamber is preferably composed of non-toxic, chemically inert materials and is suitable for receiving the sample and a nutrient solution (cell culture medium) suitable for the sample. suitable.
  • the measuring chamber is made of plastic or glass. Since the measurement technique is often based on optical principles in the investigation of living biological systems, the measuring chamber is also preferably transparent, and has over a wide spectral range sufficient for the detection of high-contrast signals transmission.
  • the measuring chamber is further connected to a tempering device, which allows adjustment of the temperature of the measuring chamber and liquid.
  • the temperature control device is preferably a thermostat with which the system of measuring chamber, liquid and sample can be heated to a specific target temperature and kept at a constant temperature.
  • the tempering device preferably has a feedback mechanism in order to be able to react quickly and accurately to changes in the temperature of the system.
  • the device according to the invention also has a micro-rheological device, this term designating in the context of this application all devices which make it possible to generate targeted stress states in the sample or to selectively deform the sample.
  • the micro-rheological device is capable of positioning the sample at a defined location of the measuring chamber.
  • the micro-rheological device is for this purpose preferably able to exert forces on the sample in order to position it within the measuring chamber. It is sufficient if a spatial area of the measuring chamber is present at which a sample, which is transported by suitable means into this area, is spatially fixed by means of the micro-rheological device.
  • the micro-rheological device is capable of producing targeted stress states in the sample.
  • the micro-rheological device is preferably a device in which a physical contacting of the sample occurs, for example a magnetic forceps, an AFM force microscope or a micropipette for the micropipette aspiration method.
  • the micro-rheological device preferably allows non-contact deformation of the sample and comprises an optical tweezer or an ultrasound generator.
  • the micro-rheological device is particularly preferably an optical straightener, in accordance with EP 1 059 871 B1, to the content of which reference is made in its entirety.
  • the generation of specific stress states in a sample can take place through the interaction of a microfluidic flow and a passive microfluidic system, for example by deformation of samples on obstacles in the flow.
  • the microrheological device preferably comprises means for generating microfluidic flows as well as suitable microfluidic flow channels.
  • the device according to the invention also has at least one further tempering device for adjusting the temperature locally on the sample.
  • This tempering device advantageously enables the heating of a sample-spaced volume of the liquid surrounding it. Further advantageously, when the temperature is set locally on the sample, no impulse is transferred to the sample by the tempering device itself or no forces are induced in the sample (apart from, for example, thermal expansion due to the heating in the sample).
  • the device according to the invention for characterizing the temperature dependence of the mechanical properties of the sample has at least one heating laser. This heating laser has a beam path that is spaced from the positioned sample.
  • the sample is thus located in the area in which it is fixed by means of the micro-rheological device, not within the beam path of the heating laser.
  • heating the sample by the heating laser thus advantageously no additional pulse is transferred to the sample, or causes no additional deformation of the sample by the heating laser.
  • the heating of the sample is essentially carried out by heating the liquid in the measuring chamber in areas near the positioned sample through the heating laser and subsequent heat transfer to the sample.
  • the device according to the invention thus advantageously allows an almost instantaneous heating of the sample of up to 100 K, preferably of up to 60 K, in a time of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and particularly preferably between 1 and 1000 ms.
  • This advantageously allows for the first time the isolated investigation of the temperature dependence of the mechanical properties of the cell material, the influence of temperature-dependent regulatory processes in the cell being negligible. This is due to the fact that the reaction kinetics of such processes taking place in the cell, or a change in the ambient temperature, can adapt only slowly, in particular not in periods of milliseconds.
  • the influence of altered reaction equilibrium or altered concentrations of various proteins in the cell on the mechanical properties of the cell can thus be advantageously neglected in the investigation of these properties with the device according to the invention.
  • the device further comprises at least one detector to determine the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample.
  • the sample is preferably biological tissue and particularly preferably living cells, a detector is preferred in which the energy input into the sample is as low as possible.
  • the device therefore particularly preferably has an optical structure, for example a confocal microscope and / or fluorescence microscope, for determining the geometric shape of the sample.
  • the device according to the invention also has a detector for determining the temperature of the sample. Depending on the structure of the measuring chamber and the micro-rheological device, the temperature can be determined with or without contacting the sample. If the device according to the invention has a micro-rheological device in which the cells are deformed by contacting, for example by the cantilever of an AFM force microscope, the determination of the temperature preferably also takes place by contacting the sample, for example by means of a temperature sensor. If the deformation of the sample by the micro-rheological device takes place without contact, for example by means of an optical extender, a non-contact determination of the temperature is preferred.
  • the measuring chamber is designed as a microfluidic channel.
  • the channel is preferably provided with an inlet and outlet and connected to a microfluidic pump.
  • the device is connected to a reservoir in which a plurality of similar or different samples are suspended in a suitable nutrient medium is.
  • a mediated by the microfluidic pump flow then individual samples can be detected and transported through the microfluidic channel.
  • the samples transported by the microfluidics can be transported, in particular, into a spatial region of the channel in which they can be spatially fixed by means of the microrheological device.
  • the device according to the invention also has a control device, with which the presence of a sample in the range of action of the micro-rheological device can be detected. If a sample is fixed by the micro-rheological device, the microfluidic elements, in particular the microfluidic pump, can be controlled so that the flow and thus the transport of the sample through the channel can be interrupted.
  • the control device thus advantageously allows a stopped-flow operation of the measuring chamber, in which a discontinuous flow is generated in the channel.
  • a single sample can be transported to the microrheological device by means of a microfluidic flow, where the temperature dependence of its mechanical properties can be determined, the sample subsequently transported away from the measuring region again by means of a microfluidic flow and moved in the same way with another sample.
  • the measuring chamber is equipped with a tempering device and by means of this continuously with a tempered cooling medium, for example. Water, rinsed.
  • the cooling medium is preferably brought to a preferably freely adjustable temperature in a range between 0 and 100 ° C via a circulating thermostat. In this case, a separation between the nutrient solution in the measuring chamber and the cooling medium or water is ensured.
  • the measuring chamber can also have another device for improving the heat transfer from the cooling medium, for example. Cooling fins or otherwise enlarged surface.
  • the measuring chamber is bounded on at least one side by an aluminum plate, which can be flushed through at least one inside channel with tempered cooling medium.
  • the thermostat has a temperature sensor which is positioned in or near the measuring chamber.
  • the temperature of the measuring chamber can be determined and used as an output signal for a feedback mechanism of the thermostat for temperature control in the measuring chamber.
  • the measuring chamber and thus the liquid (nutrient solution) by means of electrothermal components, for example. Using the Peltier effect, tempered.
  • the micro-rheological device is formed by at least one stretch laser.
  • the micro-rheological device is particularly preferably oriented through two optical fibers in the microfluidic channel, perpendicular to them and to each other Aligned aligned stretch laser formed.
  • the rays emitted from the light-conducting fibers have a divergent beam profile without a focal region in the interior of the measuring chamber. These two divergent laser beams thus form an "optical straightener" in the sense of EP 1 059 871 B1, which enables a contact-free targeted deformation of the sample.
  • At least one heating laser is preferably conducted into the microfluidic channel via a separate light-conducting fiber from the stretch lasers.
  • the fibers are preferably arranged relative to one another such that their beam paths do not overlap within the measuring chamber or the microfluidic channel.
  • the at least one light-conducting fiber of the at least one heating laser is arranged parallel to the fibers of the stretch laser and thus also perpendicular to the microfluidic channel.
  • the at least one heating laser advantageously makes it possible to heat the sample by up to 100 K, preferably up to 60 K, in periods of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and particularly preferably between 1 and 1000 ms. without the transfer of an extra impulse to the sample.
  • an almost instantaneous heating of the sample is advantageously possible, which causes no additional deformation of the sample apart from thermal effects.
  • a heating of the sample which is decoupled from its deformation is possible.
  • the temperature at the location of the sample can be kept constant throughout the measurement on a single sample by balancing the heat input of the stretch laser at the location of the sample.
  • the beam emerging from the fiber of the heating laser preferably has a divergent beam profile. If such a divergent heating laser radiates through the microfluidic channel filled with a liquid, it is advantageous to uniformly heat the liquid in the entire volume of the beam path. In particular, the formation of a strong temperature gradient, such as in a convergent beam profile around the focal volume, can be avoided.
  • the device preferably has at least one detector for determining the geometric shape and temperature of the sample, which is arranged in or relative to the microfluidic channel.
  • the detector for determining the geometric shape and temperature of the sample, which is arranged in or relative to the microfluidic channel.
  • other types of detectors that allow conclusions to be drawn about the mechanical properties of the sample without the determination of the geometric shape, for example about the determination of conductivity differences of samples in different stress states.
  • optical methods in particular light microscopic methods, are used to detect the geometric shape of the sample.
  • the parallel and spaced arrangement of the fibers of the at least one heating laser to the fibers of the stretch laser allows to avoid an overlap of the beam paths of heating and stretch lasers.
  • a plurality of heating lasers are directed into the measuring chamber such that the beam path of none of the heating lasers intersects with the beam path of the stretch laser.
  • the heating lasers are preferably arranged on one or two sides of the microfluidic channel and on one or two sides of the fibers of the stretch laser.
  • the distance of the at least one heating laser to the sample positioned by means of the stretch laser is between 1 and 1000 ⁇ m, preferably between 10 and 300 ⁇ m, and particularly preferably between 80 and 200 ⁇ m. This distance between the beam path of the heating laser and the sample positioned in the measuring region thus advantageously enables an almost instantaneous heating of the sample while at the same time avoiding additional deformation of the sample by the heating laser.
  • the wavelength of the stretch laser is between 800 nm and 2000 nm, more preferably between 800 nm and 1064 nm and particularly preferably 800 nm.
  • the heating of the sample by the stretch laser can be advantageously minimized. This warming is largely due to the interaction of the lasers with the water in the sample.
  • the wavelength of the heating laser is preferably between 900 nm and 3000 nm, more preferably 1400 nm to 1500 nm and particularly preferably 1450 nm.
  • the wavelength of the heating laser is chosen so that in this the wavelength-dependent absorption coefficient of water has a maximum.
  • a maximum heating of the sample can be realized by means of the heating laser.
  • the heating lasers used are preferably neodymium-doped yttrium-aluminum garnet lasers having a wavelength of 1064 nm. With these lasers, heating can be achieved locally at the sample by 7 ° K per watt. With a particularly preferred laser with a wavelength of 1450 nm, 1, 4 ° K per mWatt would probably be feasible.
  • a light-microscopic structure is preferably arranged relative to the microfluidic channel that transmits images of sample and channel to a detector suitable for detecting optical information in a spectral range from 300 nm to 800 nm.
  • the light microscopic structure is preferably a confocal and / or fluorescence microscope or transmitted light microscope.
  • the images of the measuring chamber and cell are preferably bright field, dark field, phase contrast or DIC images.
  • the fluorescence of the sample is preferably excited with the stretch lasers.
  • the detector advantageously makes it possible to convert the optical images of the measuring chamber and sample into digital and storable image information.
  • the invention furthermore relates to a method for characterizing cells, tissue samples or particles, wherein a) a sample to be examined is brought to a specific temperature together with a liquid, preferably an aqueous solution, in a measuring chamber,
  • a sample is brought to a specific temperature together with a liquid (solution) within a measuring chamber.
  • the temperature of the sample is preferably carried out by rinsing the measuring chamber with a tempered cooling medium, preferably water.
  • the tempering takes place in such a way that the sample is given sufficient time to adapt to the respectively set temperature. If the sample is a cell, the slow heating makes it possible to adjust new reaction equilibria of the active processes taking place in the cell.
  • the periods in which a sample has adapted to a new ambient temperature, ie has set a new reaction equilibrium, and in which a temperature of the measuring chamber and solution must thus take place be between 5 s and 2 h, preferably between 1 min and 30 min and more preferably 20 min.
  • a micro-rheological device a deformation of the sample by the generation of defined stress states in the sample.
  • the micro-rheological device is specifically adjustable, so that the voltage applied to the sample voltage can be varied over a wide range. In the method according to the invention, such stress states are set that the sample is deformed, or a deformation of the sample is observable.
  • the sample is thereby positioned by means of the micro-rheological device in a certain spatial area of the sample.
  • forces are exerted on the sample by means of the micro-rheological device, which takes place in a contacting or non-contact manner.
  • a heating of the sample by up to 100 K, preferably up to 60 K, in a time of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and more preferably between 1 and 1000 ms. If the sample is previously heated, it is first heated to a specific temperature in a targeted and almost instantaneous manner. Subsequently, different voltage states are set in the sample by means of the micro-rheological device. This makes it possible to examine the effect of the initial sample temperature on the mechanical response of the cell to the set voltage states. If the heating of the sample occurs simultaneously with the deformation, the same takes place during the entire duration of the generation of stress states in the sample.
  • the sample When the sample is heated while it is being deformed, the sample is heated after the generation of the voltage conditions and before the end of the generation.
  • the temperature at the location of the sample can be kept constant throughout the measurement on a single sample by balancing the heat input of the stretch laser at the location of the sample.
  • the heating of the sample takes place in such a way that, apart from thermal effects, no additional stress states are produced in it. Excluded are stresses that arise in the sample just because of the temperature dependence of the mechanical properties of the sample to be investigated, for example, by their thermal expansion. Since the sample can nevertheless be heated by means of the microrheological device to heat the sample, this form of heating means an at least partial decoupling of deformation and heating. This decoupling advantageously makes it possible to characterize the thermo-rheological properties of the sample.
  • the deformation of the sample in response to the generated stress states depending on the means of the micro-rheological device generated forces and the sample temperature detected time-resolved preferably takes place by means of a light-microscopic structure.
  • the deformation of the sample is then determined as relative deformation from images of the sample before and during the generation of the stress states by means of the micro-rheological device. Simultaneously with these images, the temperature of the sample is measured.
  • the acquisition of these data advantageously makes it possible to determine the temperature dependence of the mechanical properties of the sample.
  • the determination of the temperature dependence of the mechanical properties of the sample advantageously allows the determination of biomechanical characteristics. Some of these parameters represent conserved values for different cell types, so that a characterization of the cells can be carried out on the basis of these variables. Furthermore, the method according to the invention advantageously makes it possible to determine thermodynamic parameters, such as, for example, the coefficient of thermal expansion and possibly a cell-specific glass transition temperature.
  • the sample is brought to a specific temperature together with a solution in a microfluidic channel.
  • the microfluidic channel is connected via a suitable inflow to a reservoir in which a plurality of the samples to be examined are suspended in a nutrient solution.
  • the temperature of the sample and the solution by a temperature control device, more preferably by a circulating thermostat and appropriate on the microfluidic channel mounted heat exchanger.
  • the microfluidic channel is preferably connected to a microfluidic pump, so that individual samples are transported through the channel with the aid of an adjustable flow.
  • a microfluidic pump At one location of the microfluidic channel, at least one, preferably two, photoconductive fiber (s) are disposed perpendicular to the channel, and preferably aligned with each other, with each of the fibers emitting a divergent laser field. If the sample is transported into the laser fields by means of the microfluidic flow, it is fixed and positioned therein.
  • This at least one stretch laser also leads to a deformation of the positioned cell. Among other things, this depends on the performance of the stretch laser.
  • a control device particularly preferably detects the laser positioned between the two stretch lasers Sample and stops the flow mediated by the microfluidic pump for the duration of the measurements.
  • This is done by thermal excitation of the solution or the solvent by the absorption of the laser light of the at least one heating laser.
  • the heating of the solution surrounding the sample takes place in such a way that no additional impulse is transmitted to the sample by the heating laser or no further optical forces are induced on the cell.
  • the beam profiles of stretch laser and heating laser in the microfluidic channel do not overlap.
  • the heating lasers are controlled so that the heating of the solution takes place only when a transported through the channel to the stretch lasers sample has passed the heating laser.
  • This form of indirect heating of the sample advantageously leads to a decoupling of deformation and heating of the sample and makes the temperature dependence of the mechanical properties of a sample experimentally accessible for the first time.
  • this form of heating advantageously allows a very accurate adjustment of the temperature of the sample based on the absorption of the laser light in the solution. Since the heat transfer is realized by absorption of laser light, a precise knowledge of the absorption coefficient is necessary to achieve the desired heat input.
  • the absorption coefficient of living cells varies from cell to cell and is also unknown. However, the absorption coefficient of the surrounding solution can be determined exactly and reproducibly. This results in an increased accuracy of the heat introduced by laser light in the measuring region. Since the cells are not directly irradiated, negative effects such as 'photodamage' or wavelength-dependent absorption of photons by proteins are also avoided.
  • the deformation of the sample is detected as a function of the power of the stretch laser, the sample temperature and the time by means of a light-microscopic structure.
  • images of the sample are determined at different times, at different powers of the stretch laser and at different temperatures.
  • an expansion of the sample is selected, which is subject to strong changes due to the action of the stretch laser.
  • the contour lines of the sample are traced in the images produced at different times in order to determine any drift or rotation movements of the cell as a whole.
  • Such movements superimposed on the deformation of the cell are preferably calculated from the acquired data by means of a suitable algorithm.
  • data sets in which the cells as a whole show a movement that exceeds a certain limit are not preferred for determining the temperature dependence of the mechanical properties of the cell.
  • the wavelength of the heating laser is preferably adapted to the liquid used, preferably an aqueous solution.
  • the sample is preferably a cell that requires a specific nutrient medium to optimally maintain its vital functions. These nutrient media are usually water-based, but may show differences in the wavelength-dependent absorption of light due to the solutes. Nevertheless, in order to ensure optimal energy input for each solution through the heating laser, its wavelength is preferably selected such that the absorption coefficient has a maximum at this wavelength.
  • the temperature dependence of the mechanical properties of the sample can be quantified.
  • the temperature of the sample can be determined via a fluorescent dye contained in the solution surrounding the sample. This dye has a temperature-dependent intensity of the emitted and thus detectable fluorescence radiation.
  • the temperature of the solution and the sample can be determined by measuring the intensity of the fluorescence radiation of this dye.
  • the relative deformation ⁇ ( ⁇ ) is thus determined as a function of the power applied to the stretch laser and the resulting force acting on the sample as well as the temperature of the respective sample. From the data thus determined, the creep behavior of the samples can be determined according to (1) determine.
  • the optically induced in the sample voltage is linearly proportional to the ⁇ applied to the stretch performance lasers 0 "P s tretch- The samples show as a rule, at different temperatures, a different creep behavior.
  • the curve of] (t) of a sample which was determined at a first temperature can be determined according to the time temperature superposition theory (TTS) known from polymer physics by means of a scaling factor of the time "Time shift factors" a T, i , with the, at any other sample temperature T, determined, curve J (t) of another sample according to be brought to the overlay.
  • TTS time temperature superposition theory
  • the prerequisite is that the temperature of the measuring chamber and the solution as a whole, regardless of the sample temperature, during the plurality of measurements have a constant temperature.
  • the creep behavior according to (1) is first characterized for each cell. Subsequently, after the selection of a reference curve determined at a reference temperature T ref , all curves for] (t) are made to coincide according to (2).
  • the scaling factors a T, i are particularly preferably varied until the error squares of the superimposition fall below a specific limit value.
  • the activation energy E A is a size that is largely conserved for individual cells of the same type, but different values for cells of different types.
  • the determination of the activation energy E A as a parameter of the temperature dependence of the mechanical properties of a sample, in particular living cells, thus advantageously and surprisingly enables the characterization and differentiation of cells of different cell types.
  • Cells of different cell types are cells of different organisms as well as cells which have different functions within the same organism. Moreover, in certain cases, it is possible to distinguish the cells of the same cell type on the basis of a specific condition, for example, cell age, stage of the cell cycle, or viability.
  • the dependence (3) is not valid for all polymers and temperature range, for example, for certain temperatures, the dependence of the scaling factors a T, i on the temperature is described by the William Landel-Ferry equation.
  • the Arrhenius equation describes the behavior of the scaling factors for T ⁇ T G and T> T G + 50 ° K
  • the William Landel-Ferry equation describes the behavior of the scaling factors
  • Temperature dependence of a T, i for T G ⁇ T ⁇ T G + 50 ° K describes.
  • the glass transition temperatures of biological samples have not been determined.
  • equation (3) is therefore to be understood as a rule for the numerical determination of a parameter, the activation energy E A.
  • This quantity is determined in the sense of this application and independently of any theory exclusively by equation (3).
  • the applicability of equation (3) is thus determined solely by whether a value E A can be found with which this equation (3) describes the temperature dependence of the scaling factors a Tj found for the plurality of similar samples with an accuracy to be selected by the person skilled in the art.
  • the adaptation of the values to a graph to be determined according to (3) can be done by minimizing the error squares. If these error squares do not fall below a limit value selected by the person skilled in the art, then (3) is not applicable to the determined scaling factors a T, i.
  • equation (3) is not applicable and the activation energy E A is therefore not determinable, the quality of the dependence of the scaling factors a T, i on the temperature can be used to differentiate cells of different cell types. Even if no quantitative value of the activation energy E A can be determined, a characterization or differentiation of cells based on their cell type is advantageously possible with the method according to the invention. On the implementation of such a characterization will be discussed in more detail in the description of the uses of the invention.
  • the deformation of a plurality of similar samples is determined as a function of the force exerted thereon and the sample temperature.
  • the relative deformation ⁇ ( ⁇ ) depending on the power applied to the laser sweeper and the resulting, on the sample acting force and determined as a function of the temperature of each sample From the data thus determined, the creep behavior of the samples can be determined according to (1).
  • a constant is also preferably selected for the scaling factor b T, i.
  • b T a critical temperature
  • the sample temperature exceeds the critical temperature T crit , b T, i can no longer be set constant. Rather, the values for b T, i for those at different temperatures T
  • the scaling factors a T, i and d b T, i are varied until the error squares of the superimposition fall below a specific limit value.
  • the temperature T crit can be determined, as the temperature above which the temperature dependence of the scaling factors b T, i can no longer be described by at least one constant.
  • the critical temperature T C RIT is thus the temperature above which the totality of the individual scaling factors b T, i have a temperature dependence.
  • the critical temperature is determined as the mean value of the temperatures above which the temperature dependence of the individual scaling factors b T, i, b T, 2, b T, 3 ...
  • the critical temperature T crit is a size that is largely conserved for individual cells of the same type, but different for cells of different types.
  • the determination of the critical temperature T crit as a parameter of the temperature dependence of the mechanical properties of a sample, in particular living cells, thus advantageously and surprisingly enables the characterization and differentiation of cells of different cell types.
  • the scaling factors a T j it is also possible on the basis of the qualitative profile of the dependence of the scaling factors b T j on the temperature to distinguish between cells of different cell types. Even if no quantitative value of the critical temperature T C RIT can be determined, it is advantageously possible with the method according to the invention to characterize or distinguish cells on the basis of their cell type. On the implementation of such a characterization will be discussed in more detail in the description of the uses of the invention.
  • the invention further relates to the use of a device according to the invention comprising:
  • a measuring chamber for receiving a sample contained in a liquid, preferably an aqueous solution,
  • At least one detector for determining the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample
  • a sample to be examined is brought to a specific temperature together with a solution in a measuring chamber
  • the invention further relates to the use of the method according to the invention or the device according to the invention for the diagnosis of cancer.
  • tumor cells show a different thermorheological behavior than healthy cells of the same tissue.
  • healthy cells generally have a viscosity similar to that of a pseudoplastic fluid.
  • tumor cells have a viscosity similar to that of a Newtonian fluid.
  • healthy tissue can be differentiated from tumor tissue by the qualitative thermo-rheological properties of the respective cells.
  • the method according to the invention is carried out on tissue samples of a potential tumor, or of individual cells obtained therefrom, of a patient.
  • the determined thermorheological behavior of the samples or cells in question is then compared with reference data.
  • the reference data are preferably obtained by means of the implementation of the method according to the invention on non-tumorous non-tumorous tissue of the patient. Also preferably, the reference data can be taken from a database from which data on the thermorheological behavior of the corresponding healthy tissue can be retrieved.
  • a multiplicity of individual cells are isolated from at least one tissue sample of the potential tumor of a patient.
  • the thermorheological behavior of this cell type can be determined with high accuracy.
  • the mechanical response of the cells is detected at a particular voltage applied to this particular at different temperatures.
  • reference data are preferably determined by performing the method according to the invention on a plurality of healthy cells of the same tissue of the patient. Also preferred is the mechanical response of the cells detected on a specific applied to this voltage at different temperatures. Further preferably, the reference data are retrieved from a database in which the thermorheological behavior of this cell type is stored, which was previously characterized on a plurality of cells of the same healthy tissue.
  • thermorheological behavior of the potential tumor cells From the comparison of the thermorheological behavior of the potential tumor cells with the reference data, a statement can be made as to whether the tissue taken from the patient is a sample of a tumor.
  • thermo-rheological or biomechanical parameters determined in the method according to the invention assume healthy and different values for tumor cells. This applies in particular to the activating energy E A determinable in the method according to the invention and the critical temperature T C RIT ZU.
  • healthy tissue of tumor tissue can be particularly advantageously distinguished from one another by the quantitative thermorheological properties of the corresponding cells.
  • the activation energy E A assumes different values for tumor cells of a tissue than for healthy cells of the same tissue.
  • the method according to the invention is carried out on tissue samples of a potential tumor, or of individual cells obtained therefrom, of a patient.
  • the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of the measured cell type are determined on the basis of the measured data.
  • the data thus obtained are compared with reference data for the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT.
  • the reference data are values determined for cells of the same, but healthy, tissue such as the potential tumor tissue or taken from a database containing such reference data.
  • a multiplicity of individual cells are isolated from at least one tissue sample of the potential tumor of a patient.
  • the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of this cell type can be determined with high accuracy.
  • the mechanical response of the cells is detected at a particular voltage applied to this particular at different temperatures.
  • reference data are preferably determined by performing the method according to the invention on a plurality of healthy cells of the same tissue of the patient. Also preferred is the mechanical response of the cells detected on a specific applied to this voltage at different temperatures. Furthermore, the reference data are preferably retrieved from a database in which the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of this cell type are stored, which were previously determined for a multiplicity of cells of the same healthy tissue.
  • the value of the activation energy of the potential tumor cells is compared with the value of the activation energy of the same healthy tissue. If the cells of the potential tumor tissue have a clearly differentiable activation energy than the healthy cells of the same tissue, then it is very likely that the tumor cells taken from the patient are potentially tumor cells.
  • the method according to the invention can also be used for the classification of tumors, for the isolation, identification and characterization of stem cells, rare cells and extracellular fluids, for the diagnosis of sepsis or for blood analysis in general and for reproductive medicine, based on the use described here become.
  • the invention further relates to the use of the method according to the invention or the device according to the invention for screening substances as potential medicinal agents.
  • the invention therefore also encompasses a method for screening substances as potential active substances for oncology (screening method), in which the influence of the substances on biomechanical properties of tumor cells, in particular on the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT , is examined by analyzing the elongation of a variety of tumor cells under mechanical stress and at different temperatures.
  • screening method a method for screening substances as potential active substances for oncology
  • the influence of the substances on biomechanical properties of tumor cells in particular on the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT , is examined by analyzing the elongation of a variety of tumor cells under mechanical stress and at different temperatures.
  • i) at least one tumor cell is contacted with a substance and subsequently a deforming mechanical stress is exerted on the tumor cell as a mechanical load at different temperatures in such a way that the tumor cell is deformed.
  • the elongation of the tumor cell is determined at the time of exercise; ii)
  • the substance is then classified as a potential active substance for oncology if the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of the substance contacted tumor cells compared to the untreated tumor cells closer to the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of cells of the same tissue as the tumor, which are, however, healthy.
  • the substance is preferably classified as a potential active substance for oncology if the value of the activation energy E A of the substance cells contacted with the tumor cells is lower in comparison to the untreated tumor cells.
  • Substances that are analyzed in a screening method of the invention include molecules that are of natural or synthetic origin.
  • Preferred substances which are analyzed in a screening method according to the invention are selected from natural molecules, in particular peptides, proteins, nucleic acids, in particular siRNA, synthetic organic molecules, in particular monomers, polymers, synthetic inorganic molecules and small molecules.
  • tumor cells are examined, which either originate from a tissue sample of a patient or originate from a cell line.
  • tumor cells from cell lines are used in a screening method according to the invention because of their ease of culturing and availability.
  • the reference data used here is the analysis of the elongation of similar cells which were not contacted with the substance but were otherwise handled identically ("untreated" cells also here.) Therefore, when using cell lines, the analysis of the elongation of untreated tumor cells of the respective cell line is used for different cell lines Temperatures as a reference These data are compared to the elongation of cells from the same cell line that were contacted with the substance When using cells from tissue samples, preferably tumor tissue samples, untreated cells from the same tissue sample are analyzed as reference.
  • the data are also compared with normal reference data.
  • Non-tumor cells of the same type serve for the collection of the data of the normal reference, for which the elongation at different temperatures is determined according to the same principle as for the tumor cells. If the screening method according to the invention with Tumor cell lines performed, are used as a normal reference cell lines that do not contain tumor cells.
  • the method according to the invention is carried out with tumor cells from tissue samples, it is preferable to use cells of the same tissue as the normal reference, but these cells are not degenerated into tumor cells, or alternatively cells of a healthy individual from the same tissue (for example, the screening method is performed on breast cancer cells) as normal reference either non-tumor cells of the breast tissue of the same patient or cells from breast tissue of a healthy individual are used). If the mechanical properties of the tumor cells are changed by contacting with the substance in the direction of the properties of the normal reference, this too is an indication that the substance is a potential active substance for oncology.
  • the elongation at different temperatures under mechanical stress is determined by the same tumor cell.
  • the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT are particularly preferably determined for the tumor cell.
  • the elongation of the untreated tumor cell at different temperatures under load is determined.
  • the device according to the invention is preferably suitable.
  • the tumor cell is contacted with the substance and then the elongation of the substance contacted with the tumor cell at different temperatures determined.
  • the influence of the substance on the mechanical properties of the tumor cells can be determined particularly well, since identical cells are analyzed before and after contact with the substance.
  • the method according to the invention can also be used for the thermal activation of tissue, for the characterization of soft matter and for proteomics on the basis of the use of the substance described here for the screening of substances as potential medicinal substances.
  • FIG. 1 shows the basic structure of the device according to the invention, with a microfluidic channel (5) with optical fibers (1 - 3) positioned perpendicular thereto, the middle fiber pair (2) being a stretch laser of a two-beam laser trap and the peripheral fibers (1 and 3 ) can be used as a heating laser;
  • FIG. 2 deformation data obtained according to the method according to the invention at different sample temperatures according to (1), (A) for healthy breast epithelial cells MCF-10A, for cancerous cells MDA-MB 231, (B) for embryo-based mouse fibroblasts Balb 3T3, for Chinese hamster ovary cells CHO, for cancerous breast epithelial cells MCF 7; unscaled (left column) and scaled by time shift factor a T according to (2) (right column);
  • FIG. 3 shows the time shift factors a T according to (3) used for scaling the deformation data for (A) the cell strains MCF10A and MDA-MB 231 and (B) for the cell strains Balb 3T3, CHO and MCF 7;
  • the device in this case comprises a microfluidic optical Strecker structure ( ⁇ 05), which has been modified according to the invention so that the temperature of the cells, on short time scales, in particular within milliseconds, is arbitrarily adjustable.
  • ⁇ 05 microfluidic optical Strecker structure
  • the structure of the invention comprises a straight glass capillary with an inner diameter of ⁇ and a wall thickness of 40 ⁇ (ST8508, VitroCom, USA).
  • This capillary was placed perpendicular to one through two laser beam trap.
  • These comprises two monomode fibers arranged perpendicular to the capillary and aligned with each other at a distance of 200 ⁇ m, the measuring region being located between the fibers for the investigations of the mechanical properties of the cells (No. 4 in FIG. 2). All components of the assembly were embedded in a matching refractive index gel to prevent unwanted reflection and refraction at the capillary surfaces.
  • the capillary was mounted on an aluminum sample holder, which was rinsed continuously with tempered water.
  • the water was tempered by a circulating thermostat (F10, Julabo, Germany).
  • two additional optical fibers were also positioned perpendicular to the capillary and at a distance of 1 10 ⁇ to the measuring region.
  • the nutrient medium surrounding the sample in the measurement region was rapidly heated without exposing the cell to direct irradiation by the laser. Since the temperature rise expected in the measurement region depends strongly on the distance of the fibers of the heating laser, they were placed as close to the sample position as possible by etching standard HI-1064 monomode fiber down to a diameter of 80 ⁇ m using hydrofluoric acid.
  • Rhodamine B Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri. This dye has a high temperature sensitivity in the range of 0 to 120 ° C.
  • Rhodamine B Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri.
  • Rhodamine B Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri.
  • Rhodamine B Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri.
  • This dye has a high temperature sensitivity in the range of 0 to 120 ° C.
  • an Axioobserver Z1 in combination with a 10X objective Carl Zeiss, Jena, Germany
  • the dye solution was prepared from Rhodamine B (0.1 mM) and carbonate buffer (20 mM) and filled into the capillary together with the suspension containing the cells.
  • the dye was calibrated by measuring the fluorescence intensity at various temperatures of the setup.
  • the mean was determined from 6 independent measurements at temperatures between 15 and 40 ° C. This allowed the influence of the temperature of the sample holder or of Nonlinearities of Rhodamine B are minimized. As a result of the heating power, a temperature increase in the measuring region of 7 ° C / watt was determined by the laser and 26 ° C / watt by the laser.
  • MCF-10A cells (CRL-10317), a non-tumorigenic cell line, were obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were maintained in a 1: 1 mix of Dulbecco's modified Eagles's medium (DMEM) and Harns F12 medium. The mix was supplemented with 5% horse serum, 20 ng / ml epidermal growth factor, 10 ⁇ g ml insulin, 100 ng / ml cholera toxin, 500 ng / ml hydrocortisone and 100 U / ml penicillin / streptomycin.
  • DMEM Dulbecco's modified Eagles's medium
  • Harns F12 medium Harns F12
  • MDA-MB-231 cells (HTB-26), a tumor-like breast epithelial cell line, was obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). Cells were cultured with Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) supplemented with 10% fetal calf serum (FCS) and 100 ⁇ g / ml penicillin / streptomycin. Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution.
  • DMEM Dulbecco's Modified Eagle Medium
  • FCS fetal calf serum
  • the detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 ⁇ 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device.
  • Balb3T3 cells are non-tumorigenic mouse fibroblasts obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were cultured with Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) supplemented with 10% calf serum (BCS). Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution. The detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min.
  • DMEM Dulbecco's Modified Eagle Medium
  • BCS calf serum
  • CHO cells CCL-61 are non-tumor cells obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were cultured with 10% fetal calf serum (FCS) -enriched Ham'sF-12. Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution.
  • FCS fetal calf serum
  • the detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 ⁇ 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device.
  • the cells Prior to measurements, the cells resuspended in a 25 cm A 2 flask (TPP Trasadingen, Switzerland), washed twice with phosphate buffered saline, and detached by the addition of 1 ml 0.025% trypsin-EDTA solution The resuspended cells were then suspended in 3 ml culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min individual cells with a concentration of about 5x10 ⁇ 5 cells / ml in culture medium and added to the device.
  • the heating lasers were activated to randomly emit a beam of power between 0 and 1700 mW. This caused a sudden increase in temperature in the measuring region. Since the temperature of the device as a whole is constantly adjustable and thus known by the circulating thermostat at any temperature, the effective temperature of the sample can be determined as follows
  • Teff Tsetup + Pstretch + Pneiz ⁇ H (5)
  • the temperature increase is taken into account by the heating laser with a power P He i Z. According to the previously performed temperature calibration, the local temperature increase in the measuring region by the heating laser is ⁇ ⁇ «7 ° C / watt.
  • the measurements on the MDA-MB-231, BALB 3T3, CHO and MCF 7 cells were carried out analogously.
  • the measured curves could be overlapped with respect to the creep behavior J (t) (compare Fig. 2 (A), (B)).
  • the activation energy can be determined from the scaling factors aj.
  • the measured shift factors appear linear, the slope being proportional to the activation energy for the viscous flow of the cells. This gives values for the activation energy of ⁇ 80 kJ / mol for MCF-10A cells, -170 kJ / mol for MDA-MB-231 cells (compare Fig.
  • the healthy cells can be reliably distinguished from the cancerous cells (see Fig. 3 (A), (B)).
  • the temperature T of the structure as a whole was kept constant while the influence of a sudden increase in the sample temperature was determined.
  • the creep behavior of the cells at different temperatures of the structure was determined as a whole T se t U p.
  • the cells had a few minutes to hours to adapt to the changing temperatures.
  • the device was tempered as a whole to 37 ° C and about 200 cells measured within about 3 h.
  • the sample holder and capillary were first cooled down to 25 ° C, then down to 15 ° C, and the measurements repeated at approximately the same number of cells and in the same range of laser power repeatedly Pstretch (chosen randomly between 500 and 1100 mW). With each cool down, it took about 20 to 25 minutes for the entire setup to be thermally equilibrated. Cells measured during the temperature transition were excluded from further evaluation of the data because the true temperature in the measuring chamber could not be accurately determined.
  • the temperature T C RIT is a value conserved for cells of the same type and therefore suitable for the characterization and differentiation of cells on the basis of their cell type.
  • a b T is always necessary even when the cells are exposed to a characteristically long period of time at a new setup temperature.

Abstract

The invention relates to a method and a device for characterising cells in terms of the temperature dependency of the mechanical properties thereof. Due to the partial decoupling of mechanical deformation and heating in the method, the temperature dependency of the mechanical properties has become experimentally accessible for the first time. According to the invention, deformation occurs by means of a microrheological device, and heating takes place locally at the cell by at least one heating laser with a beam course distanced from the sample.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung von Zellen  Apparatus and method for characterizing cells
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Charakterisierung von Zellen anhand der Temperaturabhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften. The invention relates to a device and a method for characterizing cells based on the temperature dependence of their mechanical properties.
Aus der Biotechnologie sind bereits zahlreiche Möglichkeiten zur Charakterisierung von Zellen bekannt. So ermöglicht beispielsweise die Vielzahl der heute bekannten bildgebenden Verfahren eine differenzierte Unterscheidung von Zellen bereits anhand ihres Phänotyps. Aber auch andere Eigenschaften von Zellen, wie z.B. die an der Zelloberfläche vorliegenden Membranproteine, lassen sich mit Hilfe von biochemischen Essays zur Unterscheidung von Zellen ausnutzen. Dabei ist eine Abgrenzung der Zellen nicht nur anhand ihres Typs, sondern zum Teil auch anhand ihres Zustandes möglich. From biotechnology, numerous possibilities for the characterization of cells are already known. Thus, for example, the multitude of imaging methods known today enables differentiated differentiation of cells based on their phenotype. But other properties of cells, such as e.g. The membrane proteins present on the cell surface can be exploited with the help of biochemical essays to differentiate between cells. A delimitation of the cells is possible not only on the basis of their type, but partly also on the basis of their condition.
Aus dem Stand der Technik sind zudem Möglichkeiten bekannt Zellen anhand Ihrer biomechanischen Eigenschaften zu unterscheiden. Vorrausetzung dafür sind mikrorheologische Vorrichtungen, die eine definierte und reproduzierbare mechanische Manipulation von Zellen, Zellorganellen oder Gewebeproben ermöglichen. Neben AFM- Kraftmikroskopen oder Mikromanipulatoren, bei denen die Zellen physisch kontaktiert und dadurch verformt werden, besteht mittlerweile auch die Möglichkeit biologische Proben berührungslos zu deformieren. In addition, there are known ways of distinguishing cells based on their biomechanical properties from the state of the art. Prerequisite for this are micro-rheological devices that allow a defined and reproducible mechanical manipulation of cells, cell organelles or tissue samples. In addition to AFM force microscopes or micromanipulators, in which the cells are physically contacted and thereby deformed, it is now also possible to deform biological samples without contact.
In der EP 1 059 871 B1 wird ein Optischer Strecker offenbart, der die berührungslose Positionierung und Deformation von dielektrischen Partikeln in einer zweistrahligen Laserfalle ermöglicht. Die beiden Laser weisen dabei, im Unterschied zu einem Optical Tweezer, einen leicht divergenten Strahlverlauf auf. Die Laserstrahlen besitzen, aufgrund der verschiedenen Brechungsindizes des organischen Materials und der umgebenden Lösung, innerhalb und außerhalb der Probe verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Dadurch wird sowohl beim Eintritt in als auch beim Austritt der Laserstrahlen aus der Probe ein Impuls auf diese übertragen. Daraus resultieren senkrecht auf die Oberfläche der Probe wirkende Kräfte, die, bei einem im Vergleich zur Lösung höheren Brechungsindex der Probe, eine Dehnung der Probe entlang der optischen Achse der Laserstrahlen bewirken. EP 1 059 871 B1 discloses an optical straightener which enables contactless positioning and deformation of dielectric particles in a two-beam laser trap. The two lasers have, in contrast to an optical tweezer, a slightly divergent beam path. The laser beams have different propagation speeds due to the different refractive indices of the organic material and the surrounding solution, inside and outside the sample. As a result, an impulse is transmitted to both when entering and exiting the laser beams from the sample. This results in forces acting perpendicular to the surface of the sample which, when the refractive index of the sample is higher than that of the solution, cause the sample to stretch along the optical axis of the laser beams.
Die Deformation von Zellen im optischen Strecker führt dabei zu einer starken Erhitzung der Probe in Zeiträumen von wenigen Millisekunden [Wetzel et al. Single cell viability and impact of heating by laser absorption, Eur Biophys J (201 19 40: 1 109-1 1 14 ]. Diese immanente Kopplung von Deformation und Erhitzung der Zelle findet sich in allen aus dem Stand der Technik bekannten laserbasierten mikrorheologischen Messvorrichtungen. Eine isolierte Untersuchung der Temperaturabhängigkeit biomechanischer Eigenschaften von Zellen war daher bislang nicht möglich. Aus der DE 10 2010 041 912 B3 ist ein Verfahren zur Diagnose und/oder Prognose von Krebserkrankungen durch die Analyse der mechanischen Eigenschaften von Tumorzellen unter Verwendung eines optischen Streckers bekannt. Dabei wird ausgenutzt, dass ein gewisser Anteil von Tumorzellen unter Spannung eine Streckung entgegen der Spannungsrichtung aufweist. Anhand dieses Verhaltens können Tumorzellen von gesundem Gewebe differenziert werden. Allerdings zeigen Tumorzellen dieses Verhalten nur in einem Bereich mechanischer Belastungen, in dem eine lineare Verformung der Zelle zu erwarten ist. Diese Einschränkung hinsichtlich der auf die Zelle auszuübenden mechanischen Belastungen, ist bei Unkenntnis der Temperaturabhängigkeit der biomechanischen Eigenschaften von Krebszellen jedoch nur schwer umsetzbar. Daraus resultiert die Gefahr unzuverlässiger bzw. falscher Aussagen bei der Differenzierung von krankem und gesundem Gewebe. The deformation of cells in the optical Strecker leads to a strong heating of the sample in periods of a few milliseconds [Wetzel et al. This intrinsic coupling of deformation and heating of the cell is found in all laser-based microrheological measuring devices known from the prior art. An isolated investigation of the temperature dependence of biomechanical properties of cells was therefore not possible. From DE 10 2010 041 912 B3 a method for the diagnosis and / or prognosis of cancers by the analysis of the mechanical properties of tumor cells using an optical extender is known. It is exploited that a certain proportion of tumor cells under tension has an extension against the direction of stress. Based on this behavior, tumor cells can be differentiated from healthy tissue. However, tumor cells show this behavior only in a range of mechanical stresses in which a linear deformation of the cell is to be expected. However, this limitation on the mechanical stresses to be exerted on the cell is difficult to realize given ignorance of the temperature dependence of the biomechanical properties of cancer cells. This results in the risk of unreliable or false statements in the differentiation of diseased and healthy tissue.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln bereitzustellen. Weiterhin soll ein neues Verfahren zur reproduzierbaren Charakterisierung und Differenzierung von Zellen vorgeschlagen werden, das die Diagnostik von Krebserkrankungen sowie die Optimierung von Verfahren zum Screening von Substanzen als potentielle medizinische Wirkstoffe ermöglicht. The object of the invention is therefore to provide an apparatus and a method for determining the temperature dependence of the mechanical properties of cells, tissue samples or particles. Furthermore, a new method for the reproducible characterization and differentiation of cells is proposed, which allows the diagnosis of cancers and the optimization of methods for the screening of substances as potential medicinal agents.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 7. Preferred developments of the invention are subject of the dependent claims.
Die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Zellen, Gewebeproben und Partikeln kann erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung, aufweisend: The temperature dependence of the mechanical properties of cells, tissue samples and particles can be achieved according to the invention with a device comprising:
a) einen Messkammer zur Aufnahme einer in einer Flüssigkeit, bevorzugt in einer wässrigen Lösung, befindlichen Probe,  a) a measuring chamber for receiving a sample contained in a liquid, preferably in an aqueous solution,
b) eine Temperierungseinrichtung zur Einstellung der Temperatur von Messkammer und Flüssigkeit,  b) a tempering device for adjusting the temperature of the measuring chamber and liquid,
c) eine mikrorheologische Vorrichtung zur Erzeugung gezielter Spannungszustände in der Probe,  c) a micro-rheological device for generating targeted stress states in the sample,
d) mindestens einen Heizlaser mit von der positionierten Probe beanstandeten Strahlverlauf,  d) at least one heating laser with a jet path which is objected to by the positioned sample,
e) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der geometrischen Form und/oder der mechanischen Eigenschaften der Probe und  e) at least one detector for determining the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample and
f) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der Temperatur der Probe, bestimmt werden. Überraschenderweise ist die Temperaturabhängigkeit der biomechanischen Größen eine in Zellen desselben Zelltyps konservierte Größe. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit zur Charakterisierung von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln, bspw. subzellularen Strukturen, genutzt werden. f) at least one detector for determining the temperature of the sample, be determined. Surprisingly, the temperature dependence of biomechanical sizes is a conserved size in cells of the same cell type. The device according to the invention can thus be used for the characterization of cells, tissue samples or particles, for example subcellular structures.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Messkammer zur Aufnahme einer in einer Flüssigkeit (nachfolgend auch Lösung), bevorzugt einer wässrigen Lösung, befindlichen Probe auf. Da es sich bei den Proben bevorzugt um biologische Proben, besonders bevorzugt um Zellen, insbesondere lebende Zellen, handelt, besteht die Messkammer bevorzugt aus nicht-toxischen, chemisch inerten Materialien und ist zur Aufnahme der Probe sowie einer für die Probe adäquaten Nährlösung (Zellkulturmedium) geeignet. Besonders bevorzugt ist die Messkammer aus Kunststoff oder Glas gebildet. Da die Messtechnik bei der Untersuchung von lebenden biologischen Systemen häufig auf optischen Prinzipien basiert, ist die Messkammer zudem bevorzugt transparent, und weist über einen weiten Spektralbereich eine zur Detektion kontrastreicher Signale ausreichende Transmission auf. The device according to the invention has a measuring chamber for receiving a sample present in a liquid (hereinafter also solution), preferably an aqueous solution. Since the samples are preferably biological samples, particularly preferably cells, in particular living cells, the measuring chamber is preferably composed of non-toxic, chemically inert materials and is suitable for receiving the sample and a nutrient solution (cell culture medium) suitable for the sample. suitable. Particularly preferably, the measuring chamber is made of plastic or glass. Since the measurement technique is often based on optical principles in the investigation of living biological systems, the measuring chamber is also preferably transparent, and has over a wide spectral range sufficient for the detection of high-contrast signals transmission.
Die Messkammer ist weiterhin mit einer Temperierungseinrichtung verbunden, die eine Einstellung der Temperatur von Messkammer und Flüssigkeit erlaubt. Bevorzugt handelt es sich bei der Temperierungseinrichtung um einen Thermostat, mit dem sich das System aus Messkammer, Flüssigkeit und Probe auf eine bestimmte Zieltemperatur erwärmen und konstant auf dieser halten lässt. Um Umwelteinflüssen und Temperaturschwankungen entgegenzuwirken weist die Temperierungseinrichtung bevorzugt einen Feedback- Mechanismus auf, um schnell und zielgenau auf Veränderungen der Temperatur des Systems reagieren zu können. The measuring chamber is further connected to a tempering device, which allows adjustment of the temperature of the measuring chamber and liquid. The temperature control device is preferably a thermostat with which the system of measuring chamber, liquid and sample can be heated to a specific target temperature and kept at a constant temperature. In order to counteract environmental influences and temperature fluctuations, the tempering device preferably has a feedback mechanism in order to be able to react quickly and accurately to changes in the temperature of the system.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine mikrorheologische Vorrichtung auf, wobei dieser Begriff im Rahmen dieser Anmeldung alle Vorrichtungen bezeichnet, die eine Erzeugung gezielter Spannungszustände in der Probe bzw. eine gezielte Verformung der Probe ermöglichen. Weiterhin bevorzugt ist die mikrorheologische Vorrichtung zur Positionierung der Probe an einem definierten Ort der Messkammer fähig. Die mikrorheologische Vorrichtung ist zu diesem Zweck bevorzugt in der Lage Kräfte auf die Probe auszuüben, um diese innerhalb der Messkammer zu positionieren. Dabei ist es ausreichend, wenn ein Raumbereich der Messkammer vorhanden ist, an dem eine, durch geeignete Mittel in diesen Bereich transportierte, Probe mittels der mikrorheologischen Vorrichtung räumlich fixiert wird. Darüber hinaus ist die mikrorheologische Vorrichtung in der Lage gezielt Spannungszustände in der Probe zu erzeugen. Bevorzugt geschieht dies durch die Erzeugung von Oberflächenkräften ohne eine resultierende Kraft im Schwerpunktsystem der Probe. Bei der mikrorheologischen Vorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine Vorrichtung, bei der es zu einer physischen Kontaktierung der Probe kommt, bspw. um eine magnetische Pinzette, ein AFM-Kraftmikroskop oder eine Mikropipette für das Mikropipetten- Aspirationsverfahren. Bevorzugt ermöglicht die mikrorheologische Vorrichtung jedoch eine kontaktfreie Deformation der Probe und umfasst einen Optical Tweezer oder einen Ultraschallerzeuger. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der mikrorheologischen Vorrichtung um einen optischen Strecker, gemäß der EP 1 059 871 B1 , auf deren Inhalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird. Ebenfalls bevorzugt kann die Erzeugung gezielter Spannungszustände in einer Probe durch das Zusammenwirken einer mikrofluidischen Strömung und einem passiven mikrofluidischen System erfolgen, beispielsweise durch Verformung von Proben an in der Strömung befindlichen Hindernissen. In Falle eines solchen mikrofluidischen Strömungshindernis umfasst die mikrorheologische Vorrichtung bevorzugt Mittel zur Erzeugung mikrofluidischer Strömungen sowie geeigneter mikrofluidischer Strömungskanäle. The device according to the invention also has a micro-rheological device, this term designating in the context of this application all devices which make it possible to generate targeted stress states in the sample or to selectively deform the sample. Further preferably, the micro-rheological device is capable of positioning the sample at a defined location of the measuring chamber. The micro-rheological device is for this purpose preferably able to exert forces on the sample in order to position it within the measuring chamber. It is sufficient if a spatial area of the measuring chamber is present at which a sample, which is transported by suitable means into this area, is spatially fixed by means of the micro-rheological device. In addition, the micro-rheological device is capable of producing targeted stress states in the sample. This is preferably done by generating surface forces without a resultant force in the center of mass system of the sample. The micro-rheological device is preferably a device in which a physical contacting of the sample occurs, for example a magnetic forceps, an AFM force microscope or a micropipette for the micropipette aspiration method. However, the micro-rheological device preferably allows non-contact deformation of the sample and comprises an optical tweezer or an ultrasound generator. The micro-rheological device is particularly preferably an optical straightener, in accordance with EP 1 059 871 B1, to the content of which reference is made in its entirety. Likewise preferably, the generation of specific stress states in a sample can take place through the interaction of a microfluidic flow and a passive microfluidic system, for example by deformation of samples on obstacles in the flow. In the case of such a microfluidic flow obstacle, the microrheological device preferably comprises means for generating microfluidic flows as well as suitable microfluidic flow channels.
Um die Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe zu ermöglichen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem mindestens eine weitere Temperierungseinrichtung zur Einstellung der Temperatur lokal an der Probe auf. Diese Temperierungseinrichtung ermöglicht vorteilhaft die Erhitzung eines von Probe beabstandeten Volumens der diese umgebenden Flüssigkeit. Weiterhin vorteilhaft wird bei der Einstellung der Temperatur lokal an der Probe durch die Temperierungseinrichtung selbst kein Impuls auf die Probe übertragen bzw. keine Kräfte in dieser induziert (abgesehen von durch die Erwärmung in der Probe entstehenden Spannungen bspw. durch thermische Ausdehnung). Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe mindestens einen Heizlaser auf. Dieser Heizlaser weist einen Strahlverlauf auf, der von der positionierten Probe beabstandet ist. Die Probe befindet sich somit in dem Raumbereich, in dem sie mittels der mikrorheologischen Vorrichtung fixiert wird, nicht innerhalb des Strahlengangs des Heizlasers. Bei der Erhitzung der Probe durch den Heizlaser wird somit vorteilhaft kein zusätzlicher Impuls auf die Probe übertragen, bzw. keine zusätzliche Deformation der Probe durch den Heizlaser bewirkt. Dies ermöglicht erstmals die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften biologischer Proben, insbesondere Zellen, wobei der Einfluss nicht-linearer Effekte aufgrund der Kopplung von Deformation und Erhitzung vorteilhaft vernachlässigbar ist. Die Erhitzung der Probe erfolgt im Wesentlichen durch Erhitzung der in der Messkammer befindlichen Flüssigkeit in Raumbereichen nahe der positionierten Probe durch die Heizlaser und anschließende Wärmeübertragung auf die Probe. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit vorteilhaft eine nahezu instantane Erhitzung der Probe von bis zu 100 K, bevorzugt von bis zu 60 K, in einer Zeit von 1 bis 5000 ms, bevorzugt zwischen 1 und 2500 ms und besonders bevorzugt zwischen 1 und 1000 ms. Dies ermöglicht vorteilhaft erstmals die isolierte Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Zellmaterials, wobei der Einfluss durch temperaturabhängige regulatorische Prozesse in der Zelle vernachlässigbar ist. Dies liegt darin begründet, dass sich die Reaktionskinetik derartiger in der Zelle ablaufender Prozesse, an eine Veränderung der Umgebungstemperatur nur langsam, insbesondere nicht in Zeiträumen von Millisekunden, anzupassen vermag. Der Einfluss veränderter Reaktionsgleichgewichte bzw. veränderter Konzentrationen verschiedener Proteine in der Zelle auf die mechanischen Eigenschaften der Zelle, können somit bei der Untersuchung dieser Eigenschaften mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft vernachlässigt werden. In order to enable the characterization of the temperature dependence of the mechanical properties of the sample, the device according to the invention also has at least one further tempering device for adjusting the temperature locally on the sample. This tempering device advantageously enables the heating of a sample-spaced volume of the liquid surrounding it. Further advantageously, when the temperature is set locally on the sample, no impulse is transferred to the sample by the tempering device itself or no forces are induced in the sample (apart from, for example, thermal expansion due to the heating in the sample). Particularly preferably, the device according to the invention for characterizing the temperature dependence of the mechanical properties of the sample has at least one heating laser. This heating laser has a beam path that is spaced from the positioned sample. The sample is thus located in the area in which it is fixed by means of the micro-rheological device, not within the beam path of the heating laser. When heating the sample by the heating laser thus advantageously no additional pulse is transferred to the sample, or causes no additional deformation of the sample by the heating laser. This makes it possible for the first time to study the temperature dependence of the mechanical properties of biological samples, in particular cells, whereby the influence of non-linear effects due to the coupling of deformation and heating is advantageously negligible. The heating of the sample is essentially carried out by heating the liquid in the measuring chamber in areas near the positioned sample through the heating laser and subsequent heat transfer to the sample. The device according to the invention thus advantageously allows an almost instantaneous heating of the sample of up to 100 K, preferably of up to 60 K, in a time of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and particularly preferably between 1 and 1000 ms. This advantageously allows for the first time the isolated investigation of the temperature dependence of the mechanical properties of the cell material, the influence of temperature-dependent regulatory processes in the cell being negligible. This is due to the fact that the reaction kinetics of such processes taking place in the cell, or a change in the ambient temperature, can adapt only slowly, in particular not in periods of milliseconds. The influence of altered reaction equilibrium or altered concentrations of various proteins in the cell on the mechanical properties of the cell can thus be advantageously neglected in the investigation of these properties with the device according to the invention.
Zur Charakterisierung der Probe anhand der Temperaturabhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften weist die Vorrichtung weiterhin mindestens einen Detektor auf, um die geometrische Form und/oder die mechanischen Eigenschaften der Probe zu bestimmen. Da es sich bei der Probe bevorzugt um biologisches Gewebe und besonders bevorzugt um lebende Zellen handelt, ist ein Detektor bevorzugt, bei dem der Energieeintrag in die Probe möglichst gering ist. Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung daher einen optischen Aufbau, bspw. ein Konfokalmikroskop und/oder Fluoreszenzmikroskop, zur Bestimmung der geometrischen Form der Probe auf. To characterize the sample based on the temperature dependence of its mechanical properties, the device further comprises at least one detector to determine the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample. Since the sample is preferably biological tissue and particularly preferably living cells, a detector is preferred in which the energy input into the sample is as low as possible. The device therefore particularly preferably has an optical structure, for example a confocal microscope and / or fluorescence microscope, for determining the geometric shape of the sample.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin einen Detektor zur Bestimmung der Temperatur der Probe auf. In Abhängigkeit vom Aufbau der Messkammer und der mikrorheologischen Vorrichtung kann die Bestimmung der Temperatur dabei mit oder ohne Kontaktierung der Probe erfolgen. Weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mikrorheologischen Vorrichtung auf, bei der die Zellen durch Kontaktierung deformiert werden, bspw. durch den Cantilever eines AFM-Kraftmikroskops, erfolgt die Bestimmung der Temperatur bevorzugt ebenfalls unter Kontaktierung der Probe bspw. durch einen Temperaturfühler. Erfolgt die Deformation der Probe durch die mikrorheologische Vorrichtung kontaktfrei, bspw. mittels eines optischen Streckers, ist eine kontaktfreie Bestimmung der Temperatur bevorzugt. The device according to the invention also has a detector for determining the temperature of the sample. Depending on the structure of the measuring chamber and the micro-rheological device, the temperature can be determined with or without contacting the sample. If the device according to the invention has a micro-rheological device in which the cells are deformed by contacting, for example by the cantilever of an AFM force microscope, the determination of the temperature preferably also takes place by contacting the sample, for example by means of a temperature sensor. If the deformation of the sample by the micro-rheological device takes place without contact, for example by means of an optical extender, a non-contact determination of the temperature is preferred.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Messkammer als ein mikrofluidischer Kanal ausgebildet. Der Kanal ist dabei bevorzugt mit einem Zu- und Abfluss versehen und mit einer mikrofluidischen Pumpe verbunden. Weiterhin bevorzugt ist die Vorrichtung mit einem Reservoir verbunden, in dem eine Vielzahl gleichartiger oder unterschiedlicher Proben in einem geeigneten Nährmedium suspendiert ist. Durch eine von der mikrofluidischen Pumpe vermittelte Strömung sind dann einzelne Proben erfassbar und durch den mikrofluidischen Kanal transportierbar. Die durch die Mikrofluidik transportieren Proben sind insbesondere in einen Raumbereich des Kanals transportierbar, in dem sie mittels der mikrorheologischen Vorrichtung räumlich fixierbar sind. Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem eine Steuervorrichtung auf, mit der das Vorliegen einer Probe im Wirkungsbereich der mikrorheologischen Vorrichtung erfassbar ist. Ist eine Probe durch die mikrorheologische Vorrichtung fixiert, sind die mikrofluidischen Elemente, insbesondere die mikrofluidische Pumpe so ansteuerbar, dass die Strömung und somit der Transport der Probe durch den Kanal unterbrochen werden kann. Die Steuervorrichtung ermöglicht somit vorteilhaft einen stopped-flow Betrieb der Messkammer, bei dem diskontinuierlich eine Strömung im Kanal erzeugt wird. So kann eine einzelne Probe mittels einer mikrofluidischen Strömung zur mikrorheologischen Vorrichtung transportiert und dort die Temperaturabhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften bestimmt werden, die Probe anschließend erneut mittels einer mikrofluidischen Strömung aus der Messregion abtransportiert und auf gleiche Weise mit einer anderen Probe verfahren werden. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the measuring chamber is designed as a microfluidic channel. The channel is preferably provided with an inlet and outlet and connected to a microfluidic pump. Further preferably, the device is connected to a reservoir in which a plurality of similar or different samples are suspended in a suitable nutrient medium is. By a mediated by the microfluidic pump flow then individual samples can be detected and transported through the microfluidic channel. The samples transported by the microfluidics can be transported, in particular, into a spatial region of the channel in which they can be spatially fixed by means of the microrheological device. Particularly preferably, the device according to the invention also has a control device, with which the presence of a sample in the range of action of the micro-rheological device can be detected. If a sample is fixed by the micro-rheological device, the microfluidic elements, in particular the microfluidic pump, can be controlled so that the flow and thus the transport of the sample through the channel can be interrupted. The control device thus advantageously allows a stopped-flow operation of the measuring chamber, in which a discontinuous flow is generated in the channel. Thus, a single sample can be transported to the microrheological device by means of a microfluidic flow, where the temperature dependence of its mechanical properties can be determined, the sample subsequently transported away from the measuring region again by means of a microfluidic flow and moved in the same way with another sample.
Weiterhin bevorzugt ist die Messkammer mit einer Temperierungsvorrichtung ausgestattet und mittels dieser kontinuierlich mit einem temperierten Kühlmedium, bspw. Wasser, spülbar. Das Kühlmedium wird dabei bevorzugt über ein Umwälzthermostat auf eine bevorzugt in einem Bereich zwischen 0 und 100 °C frei einstellbare Temperatur gebracht. Dabei ist eine Trennung zwischen der in der Messkammer befindlichen Nährlösung und dem Kühlmedium bzw. Wasser gewährleistet. Die Messkammer kann zudem weitere Vorrichtung zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom Kühlmedium aufweisen, bspw. Kühlrippen oder eine anderweitig vergrößerte Oberfläche. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Messkammer mindestens einseitig durch eine Aluminiumplatte begrenzt, die durch mindestens einen innenseitigen Kanal mit temperiertem Kühlmedium durchspülbar ist. Weiterhin bevorzugt weist das Thermostat einen Temperatursensor auf, der in oder nahe der Messkammer positioniert ist. Dadurch ist die Temperatur der Messkammer bestimmbar und als Ausgangssignal für einen Feedbackmechanismus des Thermostats zur Temperaturkontrolle in der Messkammer verwendbar. Weiterhin bevorzugt ist die Messkammer und damit die Flüssigkeit (Nährlösung) durch elektrothermische Bauteile, bspw. unter Ausnutzung des Peltier-Effekts, temperierbar. Further preferably, the measuring chamber is equipped with a tempering device and by means of this continuously with a tempered cooling medium, for example. Water, rinsed. The cooling medium is preferably brought to a preferably freely adjustable temperature in a range between 0 and 100 ° C via a circulating thermostat. In this case, a separation between the nutrient solution in the measuring chamber and the cooling medium or water is ensured. The measuring chamber can also have another device for improving the heat transfer from the cooling medium, for example. Cooling fins or otherwise enlarged surface. In a particularly preferred embodiment, the measuring chamber is bounded on at least one side by an aluminum plate, which can be flushed through at least one inside channel with tempered cooling medium. Further preferably, the thermostat has a temperature sensor which is positioned in or near the measuring chamber. As a result, the temperature of the measuring chamber can be determined and used as an output signal for a feedback mechanism of the thermostat for temperature control in the measuring chamber. Further preferably, the measuring chamber and thus the liquid (nutrient solution) by means of electrothermal components, for example. Using the Peltier effect, tempered.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die mikrorheologische Vorrichtung durch mindestens einen stretch laser gebildet. Besonders bevorzugt wird die mikrorheologische Vorrichtung durch zwei, über lichtleitende Fasern in den mikrofluidischen Kanals gerichtete, zu diesem senkrecht sowie zueinander achsenfluchtend angeordnete stretch laser gebildet. Die aus den lichtleitenden Fasern emittierten Strahlen weisen dabei ein divergentes Strahlprofil ohne Fokalbereich im Inneren der Messkammer auf. Diese beiden divergenten Laserstrahlen bilden somit einen„Optischen Strecker" im Sinne der EP 1 059 871 B1. Dies ermöglicht eine berührungsfreie gezielte Deformation der Probe. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the micro-rheological device is formed by at least one stretch laser. The micro-rheological device is particularly preferably oriented through two optical fibers in the microfluidic channel, perpendicular to them and to each other Aligned aligned stretch laser formed. The rays emitted from the light-conducting fibers have a divergent beam profile without a focal region in the interior of the measuring chamber. These two divergent laser beams thus form an "optical straightener" in the sense of EP 1 059 871 B1, which enables a contact-free targeted deformation of the sample.
Weiterhin bevorzugt wird mindestens ein Heizlaser über eine von den stretch lasern separate lichtleitende Faser in den mikrofluidischen Kanal geleitet. Die Fasern sind dabei bevorzugt so zueinander angeordnet, dass sich deren Strahlverläufe innerhalb der Messkammer bzw. des mikrofluidischen Kanals nicht überlagern. Besonders bevorzugt ist die mindestens eine lichtleitende Faser des mindestens einen Heizlasers dabei parallel zu den Fasern der stretch laser und somit ebenfalls senkrecht zum mikrofluidischen Kanal angeordnet. Furthermore, at least one heating laser is preferably conducted into the microfluidic channel via a separate light-conducting fiber from the stretch lasers. The fibers are preferably arranged relative to one another such that their beam paths do not overlap within the measuring chamber or the microfluidic channel. Particularly preferably, the at least one light-conducting fiber of the at least one heating laser is arranged parallel to the fibers of the stretch laser and thus also perpendicular to the microfluidic channel.
Der mindestens eine Heizlaser ermöglicht vorteilhaft die Erhitzung der Probe um bis zu 100 K, bevorzugt von bis zu 60 K, in Zeiträumen von 1 bis 5000 ms, bevorzugt zwischen 1 und 2500 ms und besonders bevorzugt zwischen 1 und 1000 ms. ohne die Übertragung eines zusätzlichen Impulses auf die Probe. Somit ist vorteilhaft eine nahezu instantane Erhitzung der Probe möglich, die abgesehen von thermischen Effekten, keine zusätzliche Deformation der Probe bewirkt. Mit der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist somit eine, von deren Deformation entkoppelte Erhitzung der Probe möglich. Durch geeignete Wahl einer Hitzelasersequenz kann die Temperatur am Ort der Probe während der gesamten Messung an einer einzelnen Probe konstant gehalten werden, indem der Wärmeeintrag des stretch lasers am Ort der Probe ausgeglichen wird. Der aus der Faser des Heizlasers austretende Strahl weist bevorzugt ein divergentes Strahlprofil auf. Durchstrahlt solch ein divergenter Heizlaser den mit einer Flüssigkeit gefüllten mikrofluidischen Kanal kommt es vorteilhaft zu einer gleichmäßigen Erhitzung der Flüssigkeit im gesamten Volumen des Strahlengangs. Insbesondere kann die Ausbildung eines starken Temperaturgradienten, wie bspw. bei einem konvergenten Strahlprofil um das Fokalvolumen herum, vermieden werden. The at least one heating laser advantageously makes it possible to heat the sample by up to 100 K, preferably up to 60 K, in periods of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and particularly preferably between 1 and 1000 ms. without the transfer of an extra impulse to the sample. Thus, an almost instantaneous heating of the sample is advantageously possible, which causes no additional deformation of the sample apart from thermal effects. With the preferred embodiment of the structure according to the invention, therefore, a heating of the sample which is decoupled from its deformation is possible. By suitable choice of a heat spatter laser sequence, the temperature at the location of the sample can be kept constant throughout the measurement on a single sample by balancing the heat input of the stretch laser at the location of the sample. The beam emerging from the fiber of the heating laser preferably has a divergent beam profile. If such a divergent heating laser radiates through the microfluidic channel filled with a liquid, it is advantageous to uniformly heat the liquid in the entire volume of the beam path. In particular, the formation of a strong temperature gradient, such as in a convergent beam profile around the focal volume, can be avoided.
Weiterhin bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens einen Detektor zur Bestimmung von geometrischer Form und Temperatur der Probe auf, der in oder relativ zum mikrofluidischen Kanal angeordnet ist. Ebenfalls denkbar sind andere Detektortypen, die Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Probe ohne die Bestimmung der geometrischen Form ermöglichen, bspw. über die Ermittlung von Leitfähigkeitsunterschieden von Proben in verschiedenen Spannungszuständen. Besonders bevorzugt werden zur Detektion der geometrischen Form der Probe optische Verfahren, insbesondere lichtmikroskopische Verfahren genutzt. Besonders bevorzugt ermöglicht es die parallele und beabstandete Anordnung der Fasern des mindestens einen Heizlasers zu den Fasern der stretch laser eine Überschneidung der Strahlengänge von Heiz- und stretch Lasern zu vermeiden. Weiterhin bevorzugt sind mehrere Heizlaser so in die Messkammer gerichtet, dass sich der Strahlverlauf keines der Heizlaser mit dem Strahlverlauf der stretch laser überschneidet. Dabei sind die Heizlaser bevorzugt ein- oder zweiseitig des mikrofluidischen Kanals sowie ein- oder zweiseitig der Fasern der stretch laser angeordnet. Der Abstand des mindestens einen Heizlasers zu der mittels der stretch laser positionierten Probe beträgt zwischen 1 und 1000 μηη, bevorzugt zwischen 10 und 300 μηη und besonders bevorzugt zwischen 80 und 200 μηη. Dieser Abstand zwischen dem Strahlengang des Heizlasers und der in der Messregion positionierten Probe ermöglicht somit vorteilhaft eine nahezu instantane Erhitzung der Probe bei gleichzeitiger Vermeidung einer zusätzlichen Deformation der Probe durch den Heizlaser. Furthermore, the device preferably has at least one detector for determining the geometric shape and temperature of the sample, which is arranged in or relative to the microfluidic channel. Also conceivable are other types of detectors that allow conclusions to be drawn about the mechanical properties of the sample without the determination of the geometric shape, for example about the determination of conductivity differences of samples in different stress states. Particularly preferably, optical methods, in particular light microscopic methods, are used to detect the geometric shape of the sample. Particularly preferably, the parallel and spaced arrangement of the fibers of the at least one heating laser to the fibers of the stretch laser allows to avoid an overlap of the beam paths of heating and stretch lasers. Further preferably, a plurality of heating lasers are directed into the measuring chamber such that the beam path of none of the heating lasers intersects with the beam path of the stretch laser. The heating lasers are preferably arranged on one or two sides of the microfluidic channel and on one or two sides of the fibers of the stretch laser. The distance of the at least one heating laser to the sample positioned by means of the stretch laser is between 1 and 1000 μm, preferably between 10 and 300 μm, and particularly preferably between 80 and 200 μm. This distance between the beam path of the heating laser and the sample positioned in the measuring region thus advantageously enables an almost instantaneous heating of the sample while at the same time avoiding additional deformation of the sample by the heating laser.
Ebenfalls bevorzugt beträgt die Wellenlänge der stretch laser zwischen 800 nm und 2000 nm, weiterhin bevorzugt zwischen 800 nm und 1064 nm und besonders bevorzugt 800 nm. Durch die Wahl dieser Wellenlängenbereich kann die Erwärmung der Probe durch die stretch laser vorteilhaft minimiert werden. Diese Erwärmung resultiert zu einem Großteil aus der Wechselwirkung der Laser mit dem in der Probe befindlichen Wasser. Die Wahl von stretch lasern mit einer Wellenlänge, bei welcher der wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizient von Wasser ein Minimum aufweist, führt daher vorteilhaft zu einer minimalen Erwärmung der Probe durch die stretch laser. Die Wellenlänge der Heizlaser beträgt bevorzugt zwischen 900 nm und 3000 nm, weiterhin bevorzugt 1400 nm bis 1500 nm und besonders bevorzugt 1450 nm. Da die Erwärmung der Probe vorrangig durch die Erwärmung der Lösung bzw. eines für die Probe geeigneten Nährmediums erfolgt und diese zu einem großen Teil aus Wasser bestehen, ist die Wellenlänge der Heizlaser so gewählt, dass bei dieser der wellenlängenabhängig Absorptionskoeffizient von Wasser ein Maximum aufweist. Somit kann vorteilhaft eine maximale Erhitzung der Probe mittels der Heizlaser realisiert werden. Als Heizlaser werden bevorzugt Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium- Granat-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet. Mit diesen Lasern ist eine Erhitzung lokal an der Probe um 7°K pro Watt realisierbar. Mit einem besonders bevorzugten Laser mit einer Wellenlänge von 1450 nm, wären voraussichtlich 1 ,4°K pro mWatt realisierbar. Also preferably, the wavelength of the stretch laser is between 800 nm and 2000 nm, more preferably between 800 nm and 1064 nm and particularly preferably 800 nm. By selecting this wavelength range, the heating of the sample by the stretch laser can be advantageously minimized. This warming is largely due to the interaction of the lasers with the water in the sample. The choice of stretch lasers with a wavelength at which the wavelength-dependent absorption coefficient of water has a minimum, therefore advantageously leads to a minimum heating of the sample by the stretch laser. The wavelength of the heating laser is preferably between 900 nm and 3000 nm, more preferably 1400 nm to 1500 nm and particularly preferably 1450 nm. Since the heating of the sample takes place primarily by heating the solution or a nutrient medium suitable for the sample and this to a consist largely of water, the wavelength of the heating laser is chosen so that in this the wavelength-dependent absorption coefficient of water has a maximum. Thus, advantageously, a maximum heating of the sample can be realized by means of the heating laser. The heating lasers used are preferably neodymium-doped yttrium-aluminum garnet lasers having a wavelength of 1064 nm. With these lasers, heating can be achieved locally at the sample by 7 ° K per watt. With a particularly preferred laser with a wavelength of 1450 nm, 1, 4 ° K per mWatt would probably be feasible.
In der erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt ein lichtmikroskopischer Aufbau relativ zum mikrofluidischen Kanal angeordnet, dass Abbildungen von Probe und Kanal an einen, zur Detektion optischer Informationen in einem Spektralbereich von 300 nm bis 800 nm geeigneten, Detektor überträgt. Bei dem lichtmikroskopischen Aufbau handelt es sich bevorzugt um ein Konfokal- und/oder Fluoreszenzmikroskop oder Durchlichtmikroskop. Bei den Abbildungen von Messkammer und Zelle handelt es sich bevorzugt um Hellfeld-, Dunkelfeld-, Phasenkontrast- oder DIC-Aufnahmen. Für fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen, wird die Fluoreszenz der Probe bevorzugt mit den stretch lasern angeregt. Der Detektor ermöglicht vorteilhaft die Umwandlung der optischen Abbildungen von Messkammer und Probe in digitale und speicherbare Bildinformationen. In the device according to the invention, a light-microscopic structure is preferably arranged relative to the microfluidic channel that transmits images of sample and channel to a detector suitable for detecting optical information in a spectral range from 300 nm to 800 nm. The light microscopic structure is preferably a confocal and / or fluorescence microscope or transmitted light microscope. The images of the measuring chamber and cell are preferably bright field, dark field, phase contrast or DIC images. For fluorescence micrographs, the fluorescence of the sample is preferably excited with the stretch lasers. The detector advantageously makes it possible to convert the optical images of the measuring chamber and sample into digital and storable image information.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Charakterisierung von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln, wobei a) eine zu untersuchende Probe zusammen mit einer Flüssigkeit, bevorzugt einer wässrigen Lösung, in einer Messkammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird, The invention furthermore relates to a method for characterizing cells, tissue samples or particles, wherein a) a sample to be examined is brought to a specific temperature together with a liquid, preferably an aqueous solution, in a measuring chamber,
b) in der Probe mittels einer mikrorheologischen Vorrichtung gezielt Spannungszustände werden und diese dadurch verformt wird, wobei c) zuvor, gleichzeitig oder während der Verformung, jedoch kausal unabhängig von dieser eine Erhitzung der Probe um bis zu 100 K in einer Zeit von 1 bis 1000 ms erfolgt,  b) in the sample by means of a micro-rheological device targeted stress states and this is deformed, c) before, simultaneously or during the deformation, but causally independent of this heating of the sample by up to 100 K in a time from 1 to 1000 ms takes place,
d) die Verformung der Probe in Abhängigkeit von den mittels der mikrorheologischen Vorrichtung erzeugten Kräften, der Probentemperatur und der Zeit detektiert wird, e) und daraus biomechanische und thermodynamische Kenngrößen abgeleitet werden.  d) the deformation of the sample as a function of the forces generated by the micro-rheological device, the sample temperature and the time is detected, e) and from this biomechanical and thermodynamic parameters are derived.
Erfindungsgemäß wird bei diesem neuartigen Verfahren zur Charakterisierung einer Probe anhand der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften zunächst eine Probe gemeinsam mit einer Flüssigkeit (Lösung) innerhalb einer Messkammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Die Temperierung der Probe erfolgt dabei bevorzugt durch Spülung der Messkammer mit einem temperierten Kühlmedium, bevorzugt Wasser. Die Temperierung erfolgt dabei so, dass der Probe, genügend Zeit gegeben wird sich an die jeweils eingestellte Temperatur anzupassen. Handelt es sich bei der Probe um eine Zelle ermöglicht die langsame Erhitzung das Einstellen neue Reaktionsgleichgewichte der in der Zelle ablaufenden aktiven Prozesse. Die Zeiträume in denen eine Probe sich an eine neue Umgebungstemperatur angepasst hat, sich also ein neues Reaktionsgleichgewicht eingestellt hat, und in denen somit eine Temperierung von Messkammer und Lösung zu erfolgen hat, betragen dabei zwischen 5 s und 2 h, bevorzugt zwischen 1 min und 30 min und besonders bevorzugt 20 min. Anschließend erfolgt durch eine mikrorheologische Vorrichtung eine Deformation der Probe durch die Erzeugung definierter Spannungszustände in der Probe. Die mikrorheologische Vorrichtung ist dabei gezielt einstellbar, so dass die auf die Probe ausgeübte Spannung über einen weiten Bereich variiert werden kann. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden dabei solche Spannungszustände eingestellt, dass die Probe deformiert wird, bzw. eine Deformation der Probe beobachtbar ist. Weiterhin bevorzugt wird die Probe wird dabei mittels der mikrorheologischen Vorrichtung in einem bestimmten Raumbereich der Probe positioniert. Dazu werden mittels der mikrorheologischen Vorrichtung Kräfte auf die Probe ausgeübt, was kontaktierend oder berührungsfrei erfolgt. According to the invention, in this novel method for characterizing a sample on the basis of the temperature dependence of the mechanical properties, first a sample is brought to a specific temperature together with a liquid (solution) within a measuring chamber. The temperature of the sample is preferably carried out by rinsing the measuring chamber with a tempered cooling medium, preferably water. The tempering takes place in such a way that the sample is given sufficient time to adapt to the respectively set temperature. If the sample is a cell, the slow heating makes it possible to adjust new reaction equilibria of the active processes taking place in the cell. The periods in which a sample has adapted to a new ambient temperature, ie has set a new reaction equilibrium, and in which a temperature of the measuring chamber and solution must thus take place, be between 5 s and 2 h, preferably between 1 min and 30 min and more preferably 20 min. Subsequently, by a micro-rheological device, a deformation of the sample by the generation of defined stress states in the sample. The micro-rheological device is specifically adjustable, so that the voltage applied to the sample voltage can be varied over a wide range. In the method according to the invention, such stress states are set that the sample is deformed, or a deformation of the sample is observable. Furthermore, the sample is thereby positioned by means of the micro-rheological device in a certain spatial area of the sample. For this purpose, forces are exerted on the sample by means of the micro-rheological device, which takes place in a contacting or non-contact manner.
Erfindungsgemäß erfolgt weiterhin zuvor, gleichzeitig oder während der Verformung der Probe, jedoch kausal unabhängig von dieser eine Erhitzung der Probe um bis zu 100 K, bevorzugt bis zu 60 K, in einer Zeit von 1 bis 5000 ms, bevorzugt zwischen 1 und 2500 ms und besonders bevorzugt zwischen 1 und 1000 ms. Erfolgt die Erhitzung der Probe zuvor, wird diese zunächst gezielt und nahezu instantan auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Anschließend werden mittels der mikrorheologischen Vorrichtung verschiedene Spannungszustände in der Probe eingestellt. Dadurch ist die Auswirkung der anfänglichen Probentemperatur auf die mechanische Antwort der Zelle auf die eingestellten Spannungszustände untersuchbar. Erfolgt die Erhitzung der Probe gleichzeitig mit der Verformung, findet während der gesamten Dauer der Erzeugung von Spannungszuständen in der Probe eine Erhitzung derselben statt. Erfolgt die Erhitzung der Probe während der Verformung derselben, erfolgt nach dem Beginn der Erzeugung der Spannungszustände und vor dem Ende der Erzeugung eine Erhitzung der Probe. Durch geeignete Wahl einer Hitzelasersequenz kann die Temperatur am Ort der Probe während der gesamten Messung an einer einzelnen Probe konstant gehalten werden, indem der Wärmeeintrag des stretch lasers am Ort der Probe ausgeglichen wird. According to the invention continues before, simultaneously or during the deformation of the sample, but causally independent of this, a heating of the sample by up to 100 K, preferably up to 60 K, in a time of 1 to 5000 ms, preferably between 1 and 2500 ms and more preferably between 1 and 1000 ms. If the sample is previously heated, it is first heated to a specific temperature in a targeted and almost instantaneous manner. Subsequently, different voltage states are set in the sample by means of the micro-rheological device. This makes it possible to examine the effect of the initial sample temperature on the mechanical response of the cell to the set voltage states. If the heating of the sample occurs simultaneously with the deformation, the same takes place during the entire duration of the generation of stress states in the sample. When the sample is heated while it is being deformed, the sample is heated after the generation of the voltage conditions and before the end of the generation. By suitable choice of a heat spatter laser sequence, the temperature at the location of the sample can be kept constant throughout the measurement on a single sample by balancing the heat input of the stretch laser at the location of the sample.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Erhitzung der Probe derart, dass dadurch, abgesehen von thermischen Effekten, in dieser keine zusätzlichen Spannungszustände erzeugt werden. Davon ausgenommen sind Spannungen, die in der Probe gerade aufgrund der zu untersuchenden Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe entstehen, bspw. durch deren thermische Ausdehnung. Da es bei der Manipulation der Probe mittels der mikrorheologischen Vorrichtung dennoch zu einer Erwärmung der Probe kommen kann, bedeutet diese Form der Erhitzung eine zumindest teilweise Entkopplung von Deformation und Erhitzung. Diese Entkopplung ermöglicht vorteilhaft die Charakterisierung der thermorheologischen Eigenschaften der Probe. In the method according to the invention, the heating of the sample takes place in such a way that, apart from thermal effects, no additional stress states are produced in it. Excluded are stresses that arise in the sample just because of the temperature dependence of the mechanical properties of the sample to be investigated, for example, by their thermal expansion. Since the sample can nevertheless be heated by means of the microrheological device to heat the sample, this form of heating means an at least partial decoupling of deformation and heating. This decoupling advantageously makes it possible to characterize the thermo-rheological properties of the sample.
Erfindungsgemäß wird die Verformung der Probe als Reaktion auf die erzeugten Spannungszustände in Abhängigkeit der mittels der mikrorheologischen Vorrichtung erzeugten Kräften und der Probentemperatur zeitaufgelöst detektiert. Bevorzugt erfolgt die Detektion der Probe mittels eines lichtmikroskopischen Aufbaus. Die Verformung der Probe wird dann als relative Deformation aus Abbildungen der Probe vor und während der Erzeugung der Spannungszustände mittels der mikrorheologischen Vorrichtung bestimmt. Simultan zu diesen Abbildungen erfolgt eine Messung der Temperatur der Probe. Die Erfassung dieser Daten ermöglicht vorteilhaft die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe. According to the invention, the deformation of the sample in response to the generated stress states depending on the means of the micro-rheological device generated forces and the sample temperature detected time-resolved. The detection of the sample preferably takes place by means of a light-microscopic structure. The deformation of the sample is then determined as relative deformation from images of the sample before and during the generation of the stress states by means of the micro-rheological device. Simultaneously with these images, the temperature of the sample is measured. The acquisition of these data advantageously makes it possible to determine the temperature dependence of the mechanical properties of the sample.
Die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe erlaubt vorteilhaft die Bestimmung biomechanischer Kenngrößen. Einige dieser Kenngrößen stellen für verschiedenen Zelltypen konservierte Werte dar, so dass anhand der dieser Größen eine Charakterisierung der Zellen erfolgen kann. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft die Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen, wie bspw. den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und womöglich eine zellspezifischer Glasübergangstemperatur. The determination of the temperature dependence of the mechanical properties of the sample advantageously allows the determination of biomechanical characteristics. Some of these parameters represent conserved values for different cell types, so that a characterization of the cells can be carried out on the basis of these variables. Furthermore, the method according to the invention advantageously makes it possible to determine thermodynamic parameters, such as, for example, the coefficient of thermal expansion and possibly a cell-specific glass transition temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Probe gemeinsam mit einer Lösung in einem mikrofluidischen Kanal auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Weiterhin bevorzugt ist der mikrofluidische Kanal über einen geeigneten Zufluss mit einem Reservoir verbunden, in dem eine Vielzahl der zu untersuchenden Proben in einer Nährlösung suspendiert sind. Weiterhin bevorzugt erfolgt die Temperierung der Probe und der Lösung durch eine Temperierungseinrichtung, besonders bevorzugt durch ein Umwälzthermostat und geeignete am mikrofluidischen Kanal angebrachte Wärmetauscher. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the sample is brought to a specific temperature together with a solution in a microfluidic channel. Further preferably, the microfluidic channel is connected via a suitable inflow to a reservoir in which a plurality of the samples to be examined are suspended in a nutrient solution. Further preferably, the temperature of the sample and the solution by a temperature control device, more preferably by a circulating thermostat and appropriate on the microfluidic channel mounted heat exchanger.
Weiterhin bevorzugt ist der mikrofluidische Kanal mit einer mikrofluidischen Pumpe verbunden, so dass einzelne Proben mit Hilfe einer einstellbaren Strömung durch den Kanal hindurch transportiert werden. An einer Stelle des mikrofluidischen Kanals ist mindestens eine, bevorzugt zwei, lichtleitende Faser(n) senkrecht zum Kanal, und bevorzugt achsenfluchtend zueinander, angeordnet, wobei jede der Fasern ein divergentes Laserfeld emittiert. Wird die Probe mittels der mikrofluidischen Strömung in die Laserfelder transportiert, wird sie darin fixiert und positioniert. Durch diesen mindestens einen stretch laser kommt es zudem zu einer Verformung der positionierten Zelle. Diese hängt unter anderem von der Leistung der stretch laser ab. Für eine detaillierte Beschreibung der Positionierung und Verformung der Probe in dem durch die beiden divergenten Laser gebildeten„Optischen Strecker" sei auf die EP 1 059 871 B1 verwiesen. Die auf die Probe wirkenden Kräfte sind für einen optischen Strecker insbesondere linear zu der Leistung der stretch laser und nach einer entsprechenden Kalibrierung aus dieser bestimmbar. Besonders bevorzugt erfasst eine Steuereinrichtung die zwischen den beiden stretch lasern positionierte Probe und stoppt für die Dauer der Messungen die durch die mikrofluidische Pumpe vermittelte Strömung. Furthermore, the microfluidic channel is preferably connected to a microfluidic pump, so that individual samples are transported through the channel with the aid of an adjustable flow. At one location of the microfluidic channel, at least one, preferably two, photoconductive fiber (s) are disposed perpendicular to the channel, and preferably aligned with each other, with each of the fibers emitting a divergent laser field. If the sample is transported into the laser fields by means of the microfluidic flow, it is fixed and positioned therein. This at least one stretch laser also leads to a deformation of the positioned cell. Among other things, this depends on the performance of the stretch laser. For a detailed description of the positioning and deformation of the sample in the "optical straightener" formed by the two divergent lasers, reference is made to EP 1 059 871 B1 The forces acting on the sample are, in particular, linear to the performance of the stretch for an optical straightener A control device particularly preferably detects the laser positioned between the two stretch lasers Sample and stops the flow mediated by the microfluidic pump for the duration of the measurements.
In dieser bevorzugten Ausführungsform wird vor, gleichzeitig oder während der Verformung der Probe durch die stretch laser mittels mindestens eines Heizlasers ein von der Probe beabstandetes Volumen der Lösung um bis zu 100 K, bevorzugt bis zu 60 K, in einer Zeit von 1 ms bis 5000 ms, bevorzugt zwischen 1 ms bis 2500 ms und besonders bevorzugt zwischen 1 ms bis 1000 ms, und somit durch Wärmeübertragung auch die Probe erhitzt. Dies erfolgt durch thermische Anregung der Lösung bzw. des Lösungsmittels durch die Absorption des Laserlichts des mindestens einen Heizlasers. Dabei erfolgt die Erhitzung der die Probe umgebenden Lösung so, dass durch die Heizlaser kein zusätzlicher Impuls auf die Probe übertragen wird bzw. keine weiteren optischen Kräfte an der Zelle induziert werden. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass sich die Strahlverläufe von stretch laser und Heizlaser im mikrofluidischen Kanal nicht überschneiden. Zusätzlich sind die Heizlaser so ansteuerbar, dass die Erhitzung der Lösung erst dann erfolgt, wenn eine durch den Kanal zu den stretch lasern transportierte Probe den Heizlaser passiert hat. Diese Form der indirekten Erhitzung der Probe führt vorteilhaft zu einer Entkopplung von Deformation und Erhitzung der Probe und macht die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften einer Probe erstmalig experimentell zugänglich. Weiterhin ermöglicht diese Form der Erhitzung vorteilhaft eine sehr exakte Einstellung der Temperatur der Probe, basierend auf der Absorption des Laserlichts in der Lösung. Da der Wärmeübertrag mittels Absorption von Laserlicht realisiert wird, ist eine genaue Kenntnis des Absorptionskoeffizienten notwendig, um den gewünschten Wärmeeintrag zu erreichen. Der Absorptionskoeffizient lebender Zellen variiert von Zelle zu Zelle und ist darüber hinaus nicht bekannt. Der Absorptionskoeffizient der umgebenden Lösung ist allerdings genau und reproduzierbar bestimmbar. Daraus ergibt sich eine erhöhte Genauigkeit der durch Laserlicht eingebrachten Wärme in der Messregion. Da die Zellen nicht direkt bestrahlt werden, werden zudem negative Effekte wie 'photodamage' bzw. wellenlängenabhängige Absorption von Photonen durch Proteine vermieden. In this preferred embodiment, before, simultaneously or during the deformation of the sample by the stretch laser by means of at least one heating laser, a volume of the solution spaced from the sample by up to 100 K, preferably up to 60 K, in a time of 1 ms to 5000 ms, preferably between 1 ms to 2500 ms and more preferably between 1 ms to 1000 ms, and thus heated by heat transfer and the sample. This is done by thermal excitation of the solution or the solvent by the absorption of the laser light of the at least one heating laser. The heating of the solution surrounding the sample takes place in such a way that no additional impulse is transmitted to the sample by the heating laser or no further optical forces are induced on the cell. This is preferably achieved in that the beam profiles of stretch laser and heating laser in the microfluidic channel do not overlap. In addition, the heating lasers are controlled so that the heating of the solution takes place only when a transported through the channel to the stretch lasers sample has passed the heating laser. This form of indirect heating of the sample advantageously leads to a decoupling of deformation and heating of the sample and makes the temperature dependence of the mechanical properties of a sample experimentally accessible for the first time. Furthermore, this form of heating advantageously allows a very accurate adjustment of the temperature of the sample based on the absorption of the laser light in the solution. Since the heat transfer is realized by absorption of laser light, a precise knowledge of the absorption coefficient is necessary to achieve the desired heat input. The absorption coefficient of living cells varies from cell to cell and is also unknown. However, the absorption coefficient of the surrounding solution can be determined exactly and reproducibly. This results in an increased accuracy of the heat introduced by laser light in the measuring region. Since the cells are not directly irradiated, negative effects such as 'photodamage' or wavelength-dependent absorption of photons by proteins are also avoided.
In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verformung der Probe in Abhängigkeit der Leistung der stretch laser, der Probentemperatur und der Zeit mittels eines lichtmikroskopischen Aufbaus detektiert. Bevorzugt werden dabei Abbildungen der Probe zu verschiedenen Zeiten, bei verschiedenen Leistungen der stretch laser und bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Besonders bevorzugt wird durch die Vermessung der Abbilder der Probe nach einem reproduzierbaren Schema die zeitabhängige, relative Verformung ε(£) der Zelle bestimmt. Diese Größe berechnet sich im Wesentlichen als Quotient einer beliebigen, reproduzierbar bestimmbaren Ausdehnung der zu untersuchenden Probe zu einer Anfangszeit t0=0 und zu späteren Zeiten t>t0. Bevorzugt wird eine Ausdehnung der Probe gewählt, die aufgrund der Einwirkung der stretch laser starken Veränderungen unterliegt. Weiterhin bevorzugt erfolgt eine Nachverfolgung der Konturlinien der Probe in den zu verschiedenen Zeiten erstellten Abbildungen, um etwaige Drift- oder Rotationsbewegungen der Zelle als Ganzes zu ermitteln. Derartige, die Deformation der Zelle überlagernde, Bewegungen werden bevorzugt über einen geeigneten Algorithmus aus den erfassten Daten heraus gerechnet. Weiterhin bevorzugt werden Datensätze, bei denen die Zellen eine Bewegung als Ganzes zeigen, die einen gewissen Grenzwert übersteigen, nicht zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Zelle herangezogen. In the preferred embodiment of the method according to the invention, the deformation of the sample is detected as a function of the power of the stretch laser, the sample temperature and the time by means of a light-microscopic structure. Preferably, images of the sample are determined at different times, at different powers of the stretch laser and at different temperatures. The time-dependent, relative deformation ε (ε) of the cell is particularly preferably determined by measuring the images of the sample according to a reproducible scheme. This quantity is essentially calculated as the quotient of any, reproducibly determinable extent of the sample to be examined at an initial time t 0 = 0 and at later times t> t 0 . Preferably, an expansion of the sample is selected, which is subject to strong changes due to the action of the stretch laser. Further preferably, the contour lines of the sample are traced in the images produced at different times in order to determine any drift or rotation movements of the cell as a whole. Such movements superimposed on the deformation of the cell are preferably calculated from the acquired data by means of a suitable algorithm. Furthermore, data sets in which the cells as a whole show a movement that exceeds a certain limit are not preferred for determining the temperature dependence of the mechanical properties of the cell.
Um im erfindungsgemäßen Verfahren eine möglichst starke Erhitzung der Probe zu gewährleisten, ist die Wellenlänge des Heizlasers bevorzugt an die verwendete Flüssigkeit, bevorzugt einer wässrigen Lösung, angepasst. Bei der Probe handelt es sich bevorzugt um eine Zelle, die ein spezifisches Nährmedium zum optimalen Erhalt ihrer vitalen Funktionen benötigt. Diese Nährmedien sind in der Regel wasserbasiert, können aber aufgrund der gelösten Substanzen Unterschiede in der wellenlängenabhängigen Absorption von Licht zeigen. Um dennoch für jede Lösung einen optimalen Energieeintrag durch den Heizlaser zu gewährleisten, wird dessen Wellenlänge bevorzugt so gewählt, dass der Absorptionskoeffizient bei dieser Wellenlänge ein Maximum aufweist. In order to ensure the highest possible heating of the sample in the method according to the invention, the wavelength of the heating laser is preferably adapted to the liquid used, preferably an aqueous solution. The sample is preferably a cell that requires a specific nutrient medium to optimally maintain its vital functions. These nutrient media are usually water-based, but may show differences in the wavelength-dependent absorption of light due to the solutes. Nevertheless, in order to ensure optimal energy input for each solution through the heating laser, its wavelength is preferably selected such that the absorption coefficient has a maximum at this wavelength.
Durch die Korrelation der relativen Verformung der Zelle, mit den auf die Zelle wirkenden Kräften sowie Temperatur lässt sich die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Probe quantifizieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Temperatur der Probe über einen, in der die Probe umgebenden Lösung enthaltenen, Fluoreszenzfarbstoff bestimmbar. Dieser Farbstoff weist eine temperaturabhängige Intensität der ausgestrahlten und somit detektierbaren Fluoreszenzstrahlung auf. Somit lässt sich über die Messung der Intensität der Fluoreszenzstrahlung dieses Farbstoffs die Temperatur der Lösung und der Probe bestimmen. By correlating the relative deformation of the cell, the forces acting on the cell, and temperature, the temperature dependence of the mechanical properties of the sample can be quantified. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the temperature of the sample can be determined via a fluorescent dye contained in the solution surrounding the sample. This dye has a temperature-dependent intensity of the emitted and thus detectable fluorescence radiation. Thus, the temperature of the solution and the sample can be determined by measuring the intensity of the fluorescence radiation of this dye.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie obenstehend beschrieben, für eine Vielzahl gleichartiger Proben deren Verformung in Abhängigkeit der auf diese ausgeübten Kraft sowie der Probentemperatur bestimmt. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, as described above, for a multiplicity of similar samples, their deformation is determined as a function of the force exerted thereon and the sample temperature.
Für jede der Proben wird somit die relative Verformung ε(£) in Abhängigkeit der an die stretch laser angelegten Leistung und der daraus resultierenden, auf die Probe wirkenden Kraft sowie in Abhängigkeit der Temperatur der jeweiligen Probe bestimmt. Aus den so bestimmten Daten, lässt sich das Kriechverhalten der Proben gemäß (1 ) bestimmen. Dabei ist die optisch in der Probe induzierte Spannung linear proportional zu der an den stretch lasern anliegenden Leistung σ0 « Pstretch- Die Proben zeigen dabei in der Regel bei verschiedenen Temperaturen ein verschiedenes Kriechverhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kurve von ](t) einer Probe, die bei einer ersten Temperatur bestimmt wurde, gemäß der der aus der Polymerphysik bekannten „time temperature superposition" - Theorie (TTS) mittels eines Skalierungsfaktors der Zeit, des„time shift factors" aT,i, mit der, bei einer beliebigen anderen Probentemperatur T, bestimmten, Kurve J(t) einer anderen Probe gemäß
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zur Überlagerung gebracht werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Temperatur der Messkammer und der Lösung als Ganzes, unabhängig von der Probentemperatur, während der Vielzahl von Messungen eine konstante Temperatur aufweisen.
For each of the samples, the relative deformation ε (ε) is thus determined as a function of the power applied to the stretch laser and the resulting force acting on the sample as well as the temperature of the respective sample. From the data thus determined, the creep behavior of the samples can be determined according to (1) determine. The optically induced in the sample voltage is linearly proportional to the σ applied to the stretch performance lasers 0 "P s tretch- The samples show as a rule, at different temperatures, a different creep behavior. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the curve of] (t) of a sample which was determined at a first temperature can be determined according to the time temperature superposition theory (TTS) known from polymer physics by means of a scaling factor of the time "Time shift factors" a T, i , with the, at any other sample temperature T, determined, curve J (t) of another sample according to
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be brought to the overlay. The prerequisite is that the temperature of the measuring chamber and the solution as a whole, regardless of the sample temperature, during the plurality of measurements have a constant temperature.
Mit den für eine Vielzahl gleichartiger Proben ermittelten Daten zur relativen Verformung wird zunächst für jede Zelle das Kriechverhalten gemäß (1 ) charakterisiert. Anschließend werden nach der Wahl einer, bei einer Referenztemperatur Tref bestimmten Referenzkurve, alle Kurven für ](t) gemäß (2) zur Deckung gebracht. Besonders bevorzugt werden dabei die Skalierungsfaktoren aT,i solange variiert, bis die Fehlerquadrate der Überlagerung einen bestimmten Grenzwert unterschreiten. With the data for relative deformation determined for a large number of similar samples, the creep behavior according to (1) is first characterized for each cell. Subsequently, after the selection of a reference curve determined at a reference temperature T ref , all curves for] (t) are made to coincide according to (2). In this case, the scaling factors a T, i are particularly preferably varied until the error squares of the superimposition fall below a specific limit value.
Aus der TTS Polymertheorie ist weiterhin bekannt, dass die Skalierungsfaktoren aT,i eine funktionelle Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, die durch die Arrhenius-Gleichung
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beschrieben werden kann. Dabei bezeichnet R die universelle Gaskonstante und EA die Aktivierungsenergie.
From the TTS polymer theory it is further known that the scaling factors a T, i show a functional dependence on the temperature which is given by the Arrhenius equation
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can be described. Here R denotes the universal gas constant and E A the activation energy.
Wie experimentelle Befunde zeigen, ist die Aktivierungsenergie EA eine Größe, die für individuelle Zellen desselben Typs weitgehend erhalten ist, für Zellen verschiedenen Typs jedoch unterschiedliche Werte annimmt. Die Bestimmung der Aktivierungsenergie EA, als Kenngröße der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften einer Probe, insbesondere lebender Zellen, ermöglicht somit vorteilhaft und überraschend die Charakterisierung und Unterscheidung von Zellen verschiedenen Zelltyps. Als Zellen unterschiedlichen Zelltyps gelten dabei Zellen verschiedener Organismen sowie Zellen, die innerhalb desselben Organismus verschiedene Funktionen innehaben. Darüber hinaus ist in bestimmten Fällen eine Unterscheidung der Zellen desselben Zelltyps anhand eines speziellen Zustandes, bspw. Zellalter, Stadium des Zell-Zyklus oder Viabilität, möglich. As experimental findings show, the activation energy E A is a size that is largely conserved for individual cells of the same type, but different values for cells of different types. The determination of the activation energy E A , as a parameter of the temperature dependence of the mechanical properties of a sample, in particular living cells, thus advantageously and surprisingly enables the characterization and differentiation of cells of different cell types. Cells of different cell types are cells of different organisms as well as cells which have different functions within the same organism. Moreover, in certain cases, it is possible to distinguish the cells of the same cell type on the basis of a specific condition, for example, cell age, stage of the cell cycle, or viability.
Gemäß der TTS Theorie ist die Abhängigkeit (3) jedoch nicht für alle Polymere und Temperaturbereich gültig, bspw. wird für bestimmte Temperaturen die Abhängigkeit der Skalierungsfaktoren aT,i von der Temperatur durch die William-Landel-Ferry-Gleichung beschrieben. Für glasartige Materialien, zu denen biologische Proben, insbesondere Zellen, häufig gezählt werden, beschreibt die Arrhenius-Gleichung das Verhalten der Skalierungsfaktoren für T<TG und T>TG+50°K, wohingegen die William-Landel-Ferry- Gleichung die Temperaturabhängigkeit der aT,i für TG<T<TG+50°K beschreibt. Die Glasübergangstemperaturen biologischer Proben wurden jedoch bislang nicht bestimmt. However, according to the TTS theory, the dependence (3) is not valid for all polymers and temperature range, for example, for certain temperatures, the dependence of the scaling factors a T, i on the temperature is described by the William Landel-Ferry equation. For vitreous materials, for which biological samples, especially cells, are frequently counted, the Arrhenius equation describes the behavior of the scaling factors for T <T G and T> T G + 50 ° K, whereas the William Landel-Ferry equation describes the behavior of the scaling factors Temperature dependence of a T, i for T G <T <T G + 50 ° K describes. However, the glass transition temperatures of biological samples have not been determined.
Im Sinne dieser Patentanmeldung ist die Gleichung (3) daher als Vorschrift zur numerischen Bestimmung einer Kenngröße, der Aktivierungsenergie EA, zu verstehen. Diese Größe ist im Sinne dieser Anmeldung und unabhängig von jeder Theorie ausschließlich durch Gleichung (3) bestimmt. Die Anwendbarkeit der Gleichung (3) bestimmt sich somit allein dadurch, ob ein Wert EA gefunden werden kann, mit dem diese Gleichung (3) die Temperaturabhängigkeit der für die Vielzahl gleichartiger Proben gefundenen Skalierungsfaktoren aTj mit einer vom Fachmann zu wählenden Genauigkeit beschreibt. Beispielsweise kann die Anpassung der Werte an einen zu ermittelnden Graphen gemäß (3) durch Minimierung der Fehlerquadrate erfolgen. Sollten diese Fehlerquadrate einen vom Fachmann selbst gewählten Grenzwert nicht unterschreiten, so ist (3) für die bestimmten Skalierungsfaktoren aT,i nicht anwendbar. For the purposes of this patent application, the equation (3) is therefore to be understood as a rule for the numerical determination of a parameter, the activation energy E A. This quantity is determined in the sense of this application and independently of any theory exclusively by equation (3). The applicability of equation (3) is thus determined solely by whether a value E A can be found with which this equation (3) describes the temperature dependence of the scaling factors a Tj found for the plurality of similar samples with an accuracy to be selected by the person skilled in the art. For example, the adaptation of the values to a graph to be determined according to (3) can be done by minimizing the error squares. If these error squares do not fall below a limit value selected by the person skilled in the art, then (3) is not applicable to the determined scaling factors a T, i.
Für den Fall, dass Gleichung (3) nicht anwendbar und die Aktivierungsenergie EA somit nicht bestimmbar ist, kann anhand des qualitativen Verlaufs der Abhängigkeit der Skalierungsfaktoren aT,i von der Temperatur eine Unterscheidung von Zellen verschiedenen Zelltyps erfolgen. Selbst wenn kein quantitativer Wert der Aktivierungsenergie EA bestimmt werden kann, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine Charakterisierung bzw. Unterscheidung von Zellen anhand ihres Zelltyps möglich. Auf die Durchführung einer solchen Charakterisierung wird bei der Beschreibung der Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung näher eingegangen. In the event that equation (3) is not applicable and the activation energy E A is therefore not determinable, the quality of the dependence of the scaling factors a T, i on the temperature can be used to differentiate cells of different cell types. Even if no quantitative value of the activation energy E A can be determined, a characterization or differentiation of cells based on their cell type is advantageously possible with the method according to the invention. On the implementation of such a characterization will be discussed in more detail in the description of the uses of the invention.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verformung einer Vielzahl gleichartiger Proben in Abhängigkeit der auf diese ausgeübten Kraft sowie der Probentemperatur bestimmt. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the deformation of a plurality of similar samples is determined as a function of the force exerted thereon and the sample temperature.
Für jede der Proben wird dabei wiederrum die relative Verformung ε(£) in Abhängigkeit der an die streich laser angelegten Leistung und der daraus resultierenden, auf die Probe wirkenden Kraft sowie in Abhängigkeit der Temperatur der jeweiligen Probe bestimmt. Aus den so bestimmten Daten, lässt sich das Kriechverhalten der Proben gemäß (1 ) bestimmen. For each of the samples, in turn, the relative deformation ε (ε) depending on the power applied to the laser sweeper and the resulting, on the sample acting force and determined as a function of the temperature of each sample. From the data thus determined, the creep behavior of the samples can be determined according to (1).
Die Proben zeigen dabei in der Regel ein verschiedenes Kriechverhalten bei verschiedenen Temperaturen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kurve von ](t) einer Probe, die bei einer ersten Temperatur bestimmt wurde, gemäß der aus der Polymerphysik bekannten „time temperature superposition" - Theorie (TTS) mittels eines Skalierungsfaktors der Zeit, des „time shift factors" aT,i, sowie eines Faktors zur Skalierung der gesamten Funktion, des„modulus shift factor"s bT,i, mit der, bei einer beliebigen anderen Probentemperatur T, bestimmten, Kurve J(t) einer anderen Probe gemäß
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The samples usually show a different creep behavior at different temperatures. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the curve of] (t) of a sample determined at a first temperature can be determined according to the "time temperature superposition" theory (TTS) known from polymer physics by means of a scaling factor of time, " Time shift factors "a T, i, as well as a factor for scaling the entire function, the" modulus shift factor "sb T, i, with the, at any other sample temperature T, determined, curve J (t) of another sample according to
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zur Überlagerung gebracht werden. be brought to the overlay.
Weisen die Messkammer sowie die Lösung als Ganzes und unabhängig von der Probentemperatur dabei während der gesamten Zeit der Messungen eine weitgehend konstante Temperatur auf, so wird für den Skalierungsfaktor bT,i bevorzugt ebenfalls eine Konstante gewählt. Unterhalb einer kritischen Temperatur Tcrit nimmt bT,i für verschiedene Temperaturen der Messkammer und der Lösung als Ganzes verschiedene konstante Werte an, die über einen weiten Bereich unabhängig von der Probentemperatur sind. Übersteigt die Probentemperatur jedoch die kritische Temperatur Tcrit kann bT,i nicht mehr konstant gesetzt werden. Vielmehr müssen die Werte für bT,i für die bei verschiedenen Temperaturen T| gemessenen Kurven J, variiert werden, soll eine hinreichende Überlappung der Kurven erreicht werden. Gemäß der TTS Theorie zeigen die Proben somit für eine Probentemperatur T > Tcrit thermorheologisch komplexes Verhalten. If the measuring chamber as well as the solution as a whole and independent of the sample temperature have a largely constant temperature during the entire time of the measurements, a constant is also preferably selected for the scaling factor b T, i. Below a critical temperature T crit , b T, i assumes different constant values for different temperatures of the measuring chamber and the solution as a whole, which are independent of the sample temperature over a wide range. However, if the sample temperature exceeds the critical temperature T crit , b T, i can no longer be set constant. Rather, the values for b T, i for those at different temperatures T | measured curves J, a sufficient overlap of the curves should be achieved. According to the TTS theory, the samples thus show thermorheologically complex behavior for a sample temperature T> T crit .
Zur Bestimmung der jeweiligen Werte von bT,i werden die Skalierungsfaktoren aT,i und bT,i solange variiert, bis die Fehlerquadrate der Überlagerung einen bestimmten Grenzwert unterschreiten. Aus den somit ermittelten Werten für den modulus shift factor bT,i ist die Temperatur Tcrit bestimmbar, als die Temperatur, oberhalb derer die Temperaturabhängigkeit der Skalierungsfaktoren bT,i nicht mehr durch mindestens eine Konstante beschrieben werden kann. Die kritische Temperatur TCRIT ist somit die Temperatur, oberhalb derer die Gesamtheit der einzelnen Skalierungsfaktoren bT,i eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Die kritische Temperatur wird dabei als Mittelwert der Temperaturen bestimmt, ab denen die Temperaturabhängigkeit der einzelnen Skalierungsfaktoren bT,i , bT,2 , bT,3 ... nicht mehr durch eine Konstante beschrieben werden kann. Wie experimentelle Befunde zeigen, ist die kritische Temperatur Tcrit eine Größe, die für individuelle Zellen desselben Typs weitgehend erhalten ist, für Zellen verschiedenen Typs jedoch unterschiedliche Werte annimmt. Die Bestimmung der kritischen Temperatur Tcrit, als Kenngröße der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften einer Probe, insbesondere lebender Zellen, ermöglicht somit vorteilhaft und überraschend die Charakterisierung und Unterscheidung von Zellen verschiedenen Zelltyps. Darüber hinaus ist in bestimmten Fällen eine Unterscheidung der Zellen desselben Zelltyps anhand eines speziellen Zustandes, bspw. Zellalter, Stadium des Zell-Zyklus oder Viabilität, möglich. In order to determine the respective values of b T, i, the scaling factors a T, i and d b T, i are varied until the error squares of the superimposition fall below a specific limit value. From the thus determined values for the modulus shift factor b T, i, the temperature T crit can be determined, as the temperature above which the temperature dependence of the scaling factors b T, i can no longer be described by at least one constant. The critical temperature T C RIT is thus the temperature above which the totality of the individual scaling factors b T, i have a temperature dependence. The critical temperature is determined as the mean value of the temperatures above which the temperature dependence of the individual scaling factors b T, i, b T, 2, b T, 3 ... can no longer be described by a constant. As experimental findings show, the critical temperature T crit is a size that is largely conserved for individual cells of the same type, but different for cells of different types. The determination of the critical temperature T crit , as a parameter of the temperature dependence of the mechanical properties of a sample, in particular living cells, thus advantageously and surprisingly enables the characterization and differentiation of cells of different cell types. Moreover, in certain cases, it is possible to distinguish the cells of the same cell type on the basis of a specific condition, for example, cell age, stage of the cell cycle, or viability.
Wie schon wie für die Skalierungsfaktoren aTj beschrieben, kann auch anhand des qualitativen Verlaufs der Abhängigkeit der Skalierungsfaktoren bTj von der Temperatur eine Unterscheidung von Zellen verschiedenen Zelltyps erfolgen. Selbst wenn kein quantitativer Wert der kritischen Temperatur TCRIT bestimmt werden kann, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine Charakterisierung bzw. Unterscheidung von Zellen anhand ihres Zelltyps möglich. Auf die Durchführung einer solchen Charakterisierung wird bei der Beschreibung der Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung näher eingegangen. As already described for the scaling factors a T j, it is also possible on the basis of the qualitative profile of the dependence of the scaling factors b T j on the temperature to distinguish between cells of different cell types. Even if no quantitative value of the critical temperature T C RIT can be determined, it is advantageously possible with the method according to the invention to characterize or distinguish cells on the basis of their cell type. On the implementation of such a characterization will be discussed in more detail in the description of the uses of the invention.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweisend: The invention further relates to the use of a device according to the invention comprising:
a) eine Messkammer zur Aufnahme einer in einer Flüssigkeit, bevorzugt einer wässrigen Lösung, befindlichen Probe,  a) a measuring chamber for receiving a sample contained in a liquid, preferably an aqueous solution,
b) eine Temperierungseinrichtung zur Einstellung der Temperatur von Messkammer und Lösung,  b) a tempering device for adjusting the temperature of the measuring chamber and solution,
c) eine mikrorheologische Vorrichtung zur Erzeugung gezielter Spannungszustände in der Probe,  c) a micro-rheological device for generating targeted stress states in the sample,
d) mindestens einen Heizlaser mit von der positionierten Probe beanstandeten Strahlverlauf,  d) at least one heating laser with a jet path which is objected to by the positioned sample,
e) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der geometrischen Form und/oder der mechanischen Eigenschaften der Probe und  e) at least one detector for determining the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample and
f) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der Temperatur der Probe zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln, wobei  f) at least one detector for determining the temperature of the sample for carrying out the method according to the invention for characterizing cells, tissue samples or particles, wherein
g) eine zu untersuchende Probe zusammen mit einer Lösung in einer Messkammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird,  g) a sample to be examined is brought to a specific temperature together with a solution in a measuring chamber,
h) in der Probe mittels einer mikrorheologischen Vorrichtung gezielt Spannungszustände erzeugt werden und diese dadurch verformt wird, wobei i) zuvor, gleichzeitig oder während der Verformung, jedoch kausal unabhängig von dieser eine Erhitzung der Probe um bis zu 100 K in einer Zeit von 1 ms bis 1000ms erfolgt, h) in the sample by means of a micro-rheological device targeted stress states are generated and this is deformed thereby, wherein i) before, simultaneously or during the deformation, but causally independently of this, a heating of the sample by up to 100 K takes place in a time of 1 ms to 1000 ms,
j) die Verformung der Probe, in Abhängigkeit von den mittels der mikrorheologischen Vorrichtung erzeugten Kräften, der Probentemperatur und der Zeit, detektiert wird und  j) the deformation of the sample, as a function of the forces generated by the micro-rheological device, the sample temperature and time, is detected, and
daraus biomechanische und thermodynamische Kenngrößen abgeleitet werden. from this biomechanical and thermodynamic parameters are derived.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnostik von Krebserkrankungen. The invention further relates to the use of the method according to the invention or the device according to the invention for the diagnosis of cancer.
Wie Untersuchungen gezeigt haben, zeigen Tumorzellen ein anderes thermorheologisches Verhalten als gesunde Zellen desselben Gewebes. Insbesondere weisen gesunde Zellen in der Regel eine Viskosität auf, die der eines pseudoplastischen Fluides ähnelt. Tumorzellen hingegen weisen eine Viskosität auf, die der eines newtonschen Fluides ähnelt. Somit lässt sich gesundes Gewebe von Tumorgewebe bereist anhand der qualitativen thermorheologischen Eigenschaften der entsprechenden Zellen voneinander unterscheiden. As studies have shown, tumor cells show a different thermorheological behavior than healthy cells of the same tissue. In particular, healthy cells generally have a viscosity similar to that of a pseudoplastic fluid. In contrast, tumor cells have a viscosity similar to that of a Newtonian fluid. Thus, healthy tissue can be differentiated from tumor tissue by the qualitative thermo-rheological properties of the respective cells.
Zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnostik von Krebserkrankungen wird das erfindungsgemäße Verfahren an Gewebeproben eines potentiellen Tumors, bzw. an aus diesen gewonnenen einzelnen Zellen, eines Patienten durchgeführt. To use the method according to the invention for the diagnosis of cancerous diseases, the method according to the invention is carried out on tissue samples of a potential tumor, or of individual cells obtained therefrom, of a patient.
Das so bestimmte thermorheologische Verhalten der in Frage stehenden Proben bzw. Zellen wird anschließend mit Referenzdaten verglichen. Die Referenzdaten werden dabei bevorzugt mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an zweifelsfrei nicht tumorigem Gewebe des Patienten gewonnen. Ebenfalls bevorzugt können die Referenzdaten einer Datenbank entnommen werden aus der Daten zum thermorheologischen Verhalten des entsprechenden gesunden Gewebes abrufbar sind. The determined thermorheological behavior of the samples or cells in question is then compared with reference data. The reference data are preferably obtained by means of the implementation of the method according to the invention on non-tumorous non-tumorous tissue of the patient. Also preferably, the reference data can be taken from a database from which data on the thermorheological behavior of the corresponding healthy tissue can be retrieved.
Besonders bevorzugt wird aus mindestens einer Gewebeprobe des potentiellen Tumors eines Patienten eine Vielzahl einzelner Zellen isoliert. Mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an dieser Vielzahl von Zellen kann das thermorheologische Verhalten dieses Zelltyps mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dazu wird insbesondere bei verschiedenen Temperaturen die mechanische Antwort der Zellen auf eine auf diese applizierte, bestimmte Spannung erfasst. Particularly preferably, a multiplicity of individual cells are isolated from at least one tissue sample of the potential tumor of a patient. By carrying out the method according to the invention on this multiplicity of cells, the thermorheological behavior of this cell type can be determined with high accuracy. For this purpose, the mechanical response of the cells is detected at a particular voltage applied to this particular at different temperatures.
Anschließend werden bevorzugt Referenzdaten mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Vielzahl von gesunden Zellen desselben Gewebes des Patienten ermittelt. Dazu wird ebenfalls bevorzugt die mechanische Antwort der Zellen auf eine bestimmte auf diese applizierte Spannung bei verschiedenen Temperaturen erfasst. Weiterhin bevorzugt werden die Referenzdaten aus einer Datenbank abgerufen, in der das thermorheologische Verhalten dieses Zelltyps gespeichert ist, welches zuvor an einer Vielzahl von Zellen desselben gesunden Gewebes charakterisiert wurde. Subsequently, reference data are preferably determined by performing the method according to the invention on a plurality of healthy cells of the same tissue of the patient. Also preferred is the mechanical response of the cells detected on a specific applied to this voltage at different temperatures. Further preferably, the reference data are retrieved from a database in which the thermorheological behavior of this cell type is stored, which was previously characterized on a plurality of cells of the same healthy tissue.
Aus dem Vergleich des thermorheologischen Verhaltens der potentiellen Tumorzellen mit den Referenzdaten lässt sich eine Aussage treffen, ob es sich bei dem vom Patienten entnommen Gewebe um Proben eines Tumors handelt. From the comparison of the thermorheological behavior of the potential tumor cells with the reference data, a statement can be made as to whether the tissue taken from the patient is a sample of a tumor.
Wie weiterhin festgestellt wurde, nehmen thermorheologische bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte biomechanischen Kenngrößen für gesunde und für Tumorzellen unterschiedliche Werte an. Dies trifft insbesondere auf die im erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbare Aktivierungsenergie EA sowie die kritische Temperatur TCRIT ZU. Somit lässt sich gesundes Gewebe von Tumorgewebe besonders vorteilhaft anhand der quantitativen thermorheologischen Eigenschaften der entsprechenden Zellen voneinander unterscheiden. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass die Aktivierungsenergie EA für Tumorzellen eines Gewebes andere Werte annimmt, als für gesunde Zellen desselben Gewebes. It has also been found that thermo-rheological or biomechanical parameters determined in the method according to the invention assume healthy and different values for tumor cells. This applies in particular to the activating energy E A determinable in the method according to the invention and the critical temperature T C RIT ZU. Thus, healthy tissue of tumor tissue can be particularly advantageously distinguished from one another by the quantitative thermorheological properties of the corresponding cells. Advantageously, it has been found that the activation energy E A assumes different values for tumor cells of a tissue than for healthy cells of the same tissue.
Zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnostik von Krebserkrankungen wird das erfindungsgemäße Verfahren an Gewebeproben eines potentiellen Tumors, bzw. an aus diesen gewonnenen einzelnen Zellen, eines Patienten durchgeführt. To use the method according to the invention for the diagnosis of cancerous diseases, the method according to the invention is carried out on tissue samples of a potential tumor, or of individual cells obtained therefrom, of a patient.
Wie vorab beschrieben wird anhand der gemessenen Daten die Aktivierungsenergie EA und/oder die kritische Temperatur TCRIT des vermessenen Zelltyps bestimmt. Die so gewonnen Daten werden mit Referenzdaten für die Aktivierungsenergie EA und/oder die kritische Temperatur TCRIT verglichen. Bei den Referenzdaten handelt es sich dabei um Werte, die für Zellen desselben, jedoch gesunden, Gewebes wie das potentielle Tumorgewebe bestimmt oder aus einer Datenbank, enthaltend solche Referenzdaten, entnommen wurden. As described above, the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of the measured cell type are determined on the basis of the measured data. The data thus obtained are compared with reference data for the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT. The reference data are values determined for cells of the same, but healthy, tissue such as the potential tumor tissue or taken from a database containing such reference data.
Besonders bevorzugt wird aus mindestens einer Gewebeprobe des potentiellen Tumors eines Patienten eine Vielzahl einzelner Zellen isoliert. Mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an dieser Vielzahl von Zellen können die Aktivierungsenergie EA und/oder die kritische Temperatur TCRIT dieses Zelltyps mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dazu wird insbesondere bei verschiedenen Temperaturen die mechanische Antwort der Zellen auf eine auf diese applizierte, bestimmte Spannung erfasst. Particularly preferably, a multiplicity of individual cells are isolated from at least one tissue sample of the potential tumor of a patient. By carrying out the method according to the invention on this multiplicity of cells, the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of this cell type can be determined with high accuracy. For this purpose, the mechanical response of the cells is detected at a particular voltage applied to this particular at different temperatures.
Anschließend werden bevorzugt Referenzdaten mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Vielzahl von gesunden Zellen desselben Gewebes des Patienten ermittelt. Dazu wird ebenfalls bevorzugt die mechanische Antwort der Zellen auf eine bestimmte auf diese applizierte Spannung bei verschiedenen Temperaturen erfasst. Weiterhin bevorzugt werden die Referenzdaten aus einer Datenbank abgerufen, in der die Werte der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT dieses Zelltyps gespeichert sind, welches zuvor für eine Vielzahl von Zellen desselben gesunden Gewebes bestimmt wurden. Subsequently, reference data are preferably determined by performing the method according to the invention on a plurality of healthy cells of the same tissue of the patient. Also preferred is the mechanical response of the cells detected on a specific applied to this voltage at different temperatures. Furthermore, the reference data are preferably retrieved from a database in which the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of this cell type are stored, which were previously determined for a multiplicity of cells of the same healthy tissue.
Aus dem Vergleich Werte der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT der potentiellen Tumorzellen mit den entsprechenden Referenzdaten lässt sich eine Aussage treffen, ob es sich bei dem vom Patienten entnommen Gewebe um Proben eines Tumors handelt. Bevorzugt wird dabei der Wert der Aktivierungsenergie der potentiellen Tumorzellen mit dem Wert der Aktivierungsenergie desselben gesunden Gewebes verglichen. Weisen die Zellen des potentiellen Tumorgewebes dabei eine klar abgrenzbare andere Aktivierungsenergie auf, als die gesunden Zellen desselben Gewebes, so handelt es sich bei den dem Patienten entnommen potentiellen Tumorzellen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit tatsächlich um Tumorzellen. From the comparison of values of the activation energy E A and / or the critical temperature TCRIT of the potential tumor cells with the corresponding reference data, it is possible to make a statement as to whether the tissue taken from the patient is a sample of a tumor. Preferably, the value of the activation energy of the potential tumor cells is compared with the value of the activation energy of the same healthy tissue. If the cells of the potential tumor tissue have a clearly differentiable activation energy than the healthy cells of the same tissue, then it is very likely that the tumor cells taken from the patient are potentially tumor cells.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Anlehnung an die hier beschriebenen Verwendung zur Diagnostik von Krebserkrankungen auch zur Klassifikation von Tumoren, zur Isolation, Identifizierung und Charakterisierung von Stammzellen, Seltenen Zellen und extrazellulären Flüssigkeiten, zur Diagnose einer Sepsis bzw. zur Blutanalyse allgemein und für die Reproduktionsmedizin eingesetzt werden. The method according to the invention can also be used for the classification of tumors, for the isolation, identification and characterization of stem cells, rare cells and extracellular fluids, for the diagnosis of sepsis or for blood analysis in general and for reproductive medicine, based on the use described here become.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Screening von Substanzen als potentielle medizinische Wirkstoffe. The invention further relates to the use of the method according to the invention or the device according to the invention for screening substances as potential medicinal agents.
Daher umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Screening von Substanzen als potentielle Wirkstoffe für die Onkologie (Screeningverfahren), bei dem der Einfluss der Substanzen auf biomechanische Eigenschaften von Tumorzellen, insbesondere auf die Werte der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT, untersucht wird, indem die Dehnung einer Vielzahl von Tumorzellen unter mechanischer Belastung und bei verschiedenen Temperaturen analysiert wird. Dabei wird i) mindestens eine Tumorzelle: mit einer Substanz kontaktiert und anschließend wird auf die Tumorzelle eine deformierende mechanische Spannung als mechanische Belastung bei verschiedenen Temperaturen so ausgeübt, dass die Tumorzelle verformt wird. Die Dehnung der Tumorzelle wird zum Zeitpunkt der Belastung bestimmt; ii) Die Dehnung der mit der Substanz kontaktierten Tumorzellen bei verschiedenen Temperaturen wird mit Referenzdaten der Analyse der Dehnung von gleichartigen unbehandelten Tumorzellen bei verschiedenen Temperaturen verglichen. The invention therefore also encompasses a method for screening substances as potential active substances for oncology (screening method), in which the influence of the substances on biomechanical properties of tumor cells, in particular on the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT , is examined by analyzing the elongation of a variety of tumor cells under mechanical stress and at different temperatures. In this case, i) at least one tumor cell is contacted with a substance and subsequently a deforming mechanical stress is exerted on the tumor cell as a mechanical load at different temperatures in such a way that the tumor cell is deformed. The elongation of the tumor cell is determined at the time of exercise; ii) The elongation of the substance contacted tumor cells at different temperatures is compared with reference data of the analysis of the elongation of similar untreated tumor cells at different temperatures.
Die Substanz wird dann als potentieller Wirkstoff für die Onkologie eingestuft, wenn die Werte der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT der mit der Substanz kontaktierten Tumorzellen im Vergleich zu den unbehandelten Tumorzellen näher an den Werten der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT von Zellen desselben Gewebes wie des Tumors, die jedoch gesund sind, liegen. The substance is then classified as a potential active substance for oncology if the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of the substance contacted tumor cells compared to the untreated tumor cells closer to the values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT of cells of the same tissue as the tumor, which are, however, healthy.
Vorzugsweise wird die Substanz als potentieller Wirkstoff für die Onkologie eingestuft, wenn der Wert der Aktivierungsenergie EA der mit der Substanz kontaktierten Tumorzellen im Vergleich zu den unbehandelten Tumorzellen geringer ist. The substance is preferably classified as a potential active substance for oncology if the value of the activation energy E A of the substance cells contacted with the tumor cells is lower in comparison to the untreated tumor cells.
Substanzen, die in einem erfindungsgemäßen Screeningverfahren analysiert werden, umfassen Moleküle, die natürlichen oder synthetischen Ursprung sind. Bevorzugte Substanzen, die in einem erfindungsgemäßen Screeningverfahren analysiert werden, sind ausgewählt aus natürlichen Molekülen, insbesondere Peptiden, Proteinen, Nukleinsäuren, davon insbesondere siRNA, synthetischen organischen Molekülen, insbesondere Monomeren, Polymeren, synthetischen anorganischen Molekülen und small molecules. Substances that are analyzed in a screening method of the invention include molecules that are of natural or synthetic origin. Preferred substances which are analyzed in a screening method according to the invention are selected from natural molecules, in particular peptides, proteins, nucleic acids, in particular siRNA, synthetic organic molecules, in particular monomers, polymers, synthetic inorganic molecules and small molecules.
In einem erfindungsgemäßen Screeningverfahren werden Tumorzellen untersucht, die entweder aus einer Gewebeprobe eines Patienten stammen oder aber aus einer Zelllinie entstammen. Vorzugsweise werden in einem erfindungsgemäßen Screeningverfahren aufgrund deren leichteren Kultivierbarkeit und Erhältlichkeit Tumorzellen aus Zelllinien eingesetzt. In a screening method according to the invention tumor cells are examined, which either originate from a tissue sample of a patient or originate from a cell line. Preferably, tumor cells from cell lines are used in a screening method according to the invention because of their ease of culturing and availability.
Als Referenzdaten dient dabei die Analyse der Dehnung gleichartiger Zellen, die nicht mit der Substanz kontaktiert, ansonsten aber identisch gehandhabt wurden (hierin auch „unbehandelte" Zellen). Beim Einsatz von Zelllinien dient daher die Analyse der Dehnung von unbehandelten Tumorzellen der jeweiligen Zelllinie bei verschiedenen Temperaturen als Referenz. Diese Daten werden mit der Dehnung von Zellen derselben Zelllinie verglichen, die mit der Substanz kontaktiert wurden. Beim Einsatz von Zellen aus Gewebeproben, vorzugsweise Tumorgewebeproben, werden unbehandelte Zellen aus derselben Gewebeprobe als Referenz analysiert. The reference data used here is the analysis of the elongation of similar cells which were not contacted with the substance but were otherwise handled identically ("untreated" cells also here.) Therefore, when using cell lines, the analysis of the elongation of untreated tumor cells of the respective cell line is used for different cell lines Temperatures as a reference These data are compared to the elongation of cells from the same cell line that were contacted with the substance When using cells from tissue samples, preferably tumor tissue samples, untreated cells from the same tissue sample are analyzed as reference.
Besonders bevorzugt werden die Daten auch noch mit Normalreferenzdaten verglichen. Zur Erhebung der Daten der Normalreferenz dienen dabei Nicht-Tumorzellen der gleichen Art, für die die Dehnung bei verschiedenen Temperaturen nach dem gleichen Prinzip wie für die Tumorzellen bestimmt wird. Wird das erfindungsgemäße Screeningverfahren mit Tumorzelllinien durchgeführt, werden als Normalreferenz Zelllinien eingesetzt, die keine Tumorzellen enthalten. Wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Tumorzellen aus Gewebeproben durchgeführt, so werden als Normalreferenz vorzugsweise Zellen des gleichen Gewebes eingesetzt, die jedoch nicht zu Tumorzellen degeneriert sind, oder alternativ Zellen eines gesunden Individuums aus dem gleichen Gewebe (beispielsweise wird das Screeningverfahren an Brustkrebszellen durchgeführt, so werden als Normalreferenz entweder Nicht-Tumorzellen des Brustgewebes desselben Patienten oder Zellen aus Brustgewebe eines gesunden Individuums eingesetzt). Werden die mechanischen Eigenschaften der Tumorzellen durch das Kontaktieren mit der Substanz in Richtung der Eigenschaften der Normalreferenz verändert, so ist auch dies ein Indiz dafür, dass die Substanz ein potentieller Wirkstoff für die Onkologie ist. Particularly preferably, the data are also compared with normal reference data. Non-tumor cells of the same type serve for the collection of the data of the normal reference, for which the elongation at different temperatures is determined according to the same principle as for the tumor cells. If the screening method according to the invention with Tumor cell lines performed, are used as a normal reference cell lines that do not contain tumor cells. If the method according to the invention is carried out with tumor cells from tissue samples, it is preferable to use cells of the same tissue as the normal reference, but these cells are not degenerated into tumor cells, or alternatively cells of a healthy individual from the same tissue (for example, the screening method is performed on breast cancer cells) as normal reference either non-tumor cells of the breast tissue of the same patient or cells from breast tissue of a healthy individual are used). If the mechanical properties of the tumor cells are changed by contacting with the substance in the direction of the properties of the normal reference, this too is an indication that the substance is a potential active substance for oncology.
In einer besonderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Screeningverfahrens wird von derselben Tumorzelle die Dehnung bei verschiedenen Temperaturen unter mechanischer Belastung bestimmt. Besonders bevorzugt werden für die Tumorzelle die Werte der Aktivierungsenergie EA und/oder der kritischen Temperatur TCRIT bestimmt. Dabei wird zunächst die Dehnung der unbehandelten Tumorzelle bei verschiedenen Temperaturen unter Belastung ermittelt. Dafür muss ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Tumorzelle auch nach der Ermittlung der Dehnung bei verschiedenen Temperaturen vital ist. Dazu ist vorzugsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet. Anschließend wird die Tumorzelle mit der Substanz kontaktiert und anschließend die Dehnung der mit der Substanz kontaktierten Tumorzelle bei verschiedenen Temperaturen ermittelt. In dieser Ausgestaltung kann der Einfluss der Substanz auf die mechanischen Eigenschaften der Tumorzellen besonders gut ermittelt werden, da identische Zellen vor und nach der Kontaktierung mit der Substanz analysiert werden. In a particular embodiment of a screening method according to the invention, the elongation at different temperatures under mechanical stress is determined by the same tumor cell. The values of the activation energy E A and / or the critical temperature T C RIT are particularly preferably determined for the tumor cell. Initially, the elongation of the untreated tumor cell at different temperatures under load is determined. For this, a method must be used in which the tumor cell is vital even after the determination of the elongation at different temperatures. For this purpose, the device according to the invention is preferably suitable. Subsequently, the tumor cell is contacted with the substance and then the elongation of the substance contacted with the tumor cell at different temperatures determined. In this embodiment, the influence of the substance on the mechanical properties of the tumor cells can be determined particularly well, since identical cells are analyzed before and after contact with the substance.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Anlehnung an die hier beschriebene Verwendung des zum Screening von Substanzen als potentielle medizinische Wirkstoffe auch zur Thermoaktivierung von Gewebe, zur Charakterisierung weicher Materie und für die Proteomik eingesetzt werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand von Abbildungen näher erläutert, dabei zeigen: The method according to the invention can also be used for the thermal activation of tissue, for the characterization of soft matter and for proteomics on the basis of the use of the substance described here for the screening of substances as potential medicinal substances. In the following the invention will be explained in more detail by means of an exemplary embodiment and with reference to figures, in which:
Fig. 1 : den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit einem mikrofluidischen Kanal (5) mit dazu senkrecht positionierten optischen Fasern (1 - 3), wobei das mittlere Faserpaar (2) als stretch laser einer Zweistrahllaserfalle und die peripheren Fasern (1 und 3) als Heizlaser verwendet werden; 1 shows the basic structure of the device according to the invention, with a microfluidic channel (5) with optical fibers (1 - 3) positioned perpendicular thereto, the middle fiber pair (2) being a stretch laser of a two-beam laser trap and the peripheral fibers (1 and 3 ) can be used as a heating laser;
Fig. 2: im erfindungsgemäßen Verfahren bei verschiedenen Probentemperaturen gewonnene Deformationsdaten gemäß (1 ), (A) für gesunde Brust Epithel-Zellen MCF-10A, für krebsartige Zellen MDA-MB 231 , (B) für embryonale Maus-Fibroblasten Balb 3T3, für Ovarien-Zellen des chinesischen Hamsters CHO, für krebsartige Brust Epithel-Zellen MCF 7; unskaliert (linke Spalte) sowie mittels time shift factor aT gemäß (2) skaliert (rechte Spalte); FIG. 2: deformation data obtained according to the method according to the invention at different sample temperatures according to (1), (A) for healthy breast epithelial cells MCF-10A, for cancerous cells MDA-MB 231, (B) for embryo-based mouse fibroblasts Balb 3T3, for Chinese hamster ovary cells CHO, for cancerous breast epithelial cells MCF 7; unscaled (left column) and scaled by time shift factor a T according to (2) (right column);
Fig. 3: die zur Skalierung der Deformationsdaten benutzten time shift factors aT gemäß (3) für (A) die Zellstämme MCF10A und MDA-MB 231 und (B) für die Zellstämme Balb 3T3, CHO und MCF 7; 3 shows the time shift factors a T according to (3) used for scaling the deformation data for (A) the cell strains MCF10A and MDA-MB 231 and (B) for the cell strains Balb 3T3, CHO and MCF 7;
Fig. 4: die Skalierungsfaktoren (A) time shift factor aT und (B) modulus shift factor bj in Abhängigkeit von der effektiven Probentemperatur. 4: the scaling factors (A) time shift factor a T and (B) modulus shift factor bj as a function of the effective sample temperature.
Aufbau der Vorrichtung Construction of the device
Zur Untersuchung der mechanischen Antwort von lebenden, suspendierten MCF10A, MDA- MB 231 Brust-Epithel-Zellen, BALB 3T3 embryonalen Maus-Fibroblasten, CHO Ovarienzellen des chinesischen Hamsters (Cricetulus griseus) und MCF 7 krebsartigen Brust Epithel-Zellen auf optisch induzierte Kräfte wurde eine erfindungsgemäße Vorrichtung genutzt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen mikrofluidischen Optischen Strecker Aufbau (μ05), der erfindungsgemäß so modifiziert wurde, dass die Temperatur der Zellen, auf kurzen Zeitskalen, insbesondere innerhalb von Millisekunden, beliebig einstellbar ist. Dazu wird erfindungsgemäß die bislang aus dem Stand der Technik beim Optischen Strecker bekannte, inhärente Kopplung von Erhitzung und Deformation zumindest teilweise aufgehoben. Durch die erfindungsgemäße Integration von Laserheizung in den Optischen Strecker, können in diesem gehaltene Zellen innerhalb von Millisekunden so erhitzt werden, dass sie keiner direkten Bestrahlung durch Laserlicht ausgesetzt sind. Gleichzeitig werden die in den Zellen optisch induzierten, mechanischen Spannungen, deren Stärke ausschließlich durch die Leistung der stretch laser bestimmt ist, konstant gehalten.  To investigate the mechanical response of living, suspended MCF10A, MDA-MB 231 breast epithelial cells, BALB 3T3 embryonic mouse fibroblasts, CHO Chinese hamster ovary cells (Cricetulus griseus) and MCF 7 cancerous breast epithelial cells to optically induced forces used a device according to the invention. The device in this case comprises a microfluidic optical Strecker structure (μ05), which has been modified according to the invention so that the temperature of the cells, on short time scales, in particular within milliseconds, is arbitrarily adjustable. For this purpose, according to the invention, the previously known from the prior art in the Optical Strecker, inherent coupling of heating and deformation is at least partially canceled. Due to the integration of laser heating into the optical stretcher according to the invention, cells held therein can be heated within milliseconds so that they are not exposed to direct irradiation by laser light. At the same time, the optically induced in the cells, mechanical stresses whose strength is determined solely by the performance of the stretch laser, kept constant.
Der erfindungsgemäße Aufbau umfasst eine gerade Glass Kapillare mit einem inneren Durchmesser von δθμηη sowie einer Wandstärke von 40 μηη (ST8508, VitroCom, USA). Diese Kapillare wurde senkrecht zu einer durch zwei Laserzweistrahlfalle angeordnet. Diese umfasst zwei senkrecht zu der Kapillare und zueinander mit einem Abstand von 200 μηη achsenfluchtend angeordneten Monomodefasern, wobei sich die Messregion für die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften der Zellen zwischen den Fasern befindet (Nr. 4 in Fig. 2). Alle Komponenten des Aufbaus wurden in einem Gel mit passendem Brechungsindex eingebettet, um ungewünschte Reflektion und Brechung an den Oberflächen der Kapillare zu verhindern. The structure of the invention comprises a straight glass capillary with an inner diameter of δθμηη and a wall thickness of 40 μηη (ST8508, VitroCom, USA). This capillary was placed perpendicular to one through two laser beam trap. These comprises two monomode fibers arranged perpendicular to the capillary and aligned with each other at a distance of 200 μm, the measuring region being located between the fibers for the investigations of the mechanical properties of the cells (No. 4 in FIG. 2). All components of the assembly were embedded in a matching refractive index gel to prevent unwanted reflection and refraction at the capillary surfaces.
Um die Temperatur des Aufbaus kontrollieren zu können, wurde die Kapillare auf einem Probenhalter aus Aluminium befestigt, der kontinuierlich mit temperiertem Wasser gespült wurde Das Wasser wurde dabei durch ein Umwälzthermostat (F10, Julabo, Germany) temperiert. Mittels eines externer Temperatursensors, der in der Nähe der Messregion installiert war, sowie einem Feedback-Steuerverfahren konnte die Temperatur des Aufbaus als Ganzes während der Messungen konstant gehalten werden sowie Temperaturänderungen des Aufbaus als Ganzes innerhalb von ca. 20min realisiert werden. In order to control the temperature of the structure, the capillary was mounted on an aluminum sample holder, which was rinsed continuously with tempered water. The water was tempered by a circulating thermostat (F10, Julabo, Germany). By means of an external temperature sensor, which was installed in the vicinity of the measuring region, and a feedback control method, the temperature of the structure as a whole could be kept constant during the measurements and temperature changes of the structure as a whole within about 20min.
Um Temperatursprünge der Zellen innerhalb von Millisekunden realisieren zu können, wurden zudem zwei zusätzliche optische Fasern senkrecht zu der Kapillare und mit einem Abstand von 1 10 μηη zur Messregion positioniert. Durch die Emission von Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm wurde das, die in der Messregion befindliche Probe umgebende, Nährmedium schnell erhitzt, ohne dass die Zelle direkter Bestrahlung durch den Laser ausgesetzt wurde. Da der in der Messregion erwartete Temperaturanstieg stark von der Distanz der Fasern des Heizlasers abhängt, wurden diese möglichst nahe der Probenposition angebracht, indem Standard HI-1064 Monomodenfaser mittels Fluorwasserstoffsäure auf einen Durchmesser von 80 μηη herunter geätzt wurden. In order to realize temperature jumps of the cells within milliseconds, two additional optical fibers were also positioned perpendicular to the capillary and at a distance of 1 10 μηη to the measuring region. By emitting laser light having a wavelength of 1064 nm, the nutrient medium surrounding the sample in the measurement region was rapidly heated without exposing the cell to direct irradiation by the laser. Since the temperature rise expected in the measurement region depends strongly on the distance of the fibers of the heating laser, they were placed as close to the sample position as possible by etching standard HI-1064 monomode fiber down to a diameter of 80 μm using hydrofluoric acid.
Temperatur - Kalibrierung Temperature calibration
Zur Bestimmung der Heizleistung der verwendeten Laser wurde eine Temperatur- Kalibrierung mit dem temperatursensitivem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamine B (Sigma - Aldrich, St. Louis, Missouri) durchgeführt. Dieser Farbstoff weist eine hohe Temperatursensitivität im Bereich von 0 bis 120 °C auf. Um die Temperaturverteilung in der Kapillare möglichst weiträumig zu erfassen, wurde ein Axioobserver Z1 in Kombination mit einem 10X Objektiv (Carl Zeiss, Jena, Deutschland) verwendet. Die Farbstofflösung wurde aus Rhodamine B (0,1 mM) und Carbonatbuffer (20 mM) erzeugt und in gemeinsam mit der die Zellen enthaltenden Suspension in die Kapillare eingefüllt. Der Farbstoff wurde kalibriert, indem die Fluoreszenzintensität bei verschiedenen Temperaturen des Aufbaus gemessen wurde. Um die Temperaturerhöhung im Inneren der Glaskapillare zu bestimmen, wurde der Mittelwert aus 6 unabhängigen Messungen bei Temperaturen zwischen 15 und 40 °C bestimmt. Dadurch konnte der Einfluss der Temperatur des Probenhalters oder von Nichtlinearitäten des Rhodamine B minimiert werden. Als Ergebnis für die Heizleistung wurden eine Temperaturerhöhung in der Messregion von 7 °C/Watt durch die Heizlaser und 26 °C/Watt durch die streich laser ermittelt. To determine the heating power of the lasers used, a temperature calibration was carried out with the temperature-sensitive fluorescent dye Rhodamine B (Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri). This dye has a high temperature sensitivity in the range of 0 to 120 ° C. To record the temperature distribution in the capillary as far as possible, an Axioobserver Z1 in combination with a 10X objective (Carl Zeiss, Jena, Germany) was used. The dye solution was prepared from Rhodamine B (0.1 mM) and carbonate buffer (20 mM) and filled into the capillary together with the suspension containing the cells. The dye was calibrated by measuring the fluorescence intensity at various temperatures of the setup. To determine the temperature increase inside the glass capillary, the mean was determined from 6 independent measurements at temperatures between 15 and 40 ° C. This allowed the influence of the temperature of the sample holder or of Nonlinearities of Rhodamine B are minimized. As a result of the heating power, a temperature increase in the measuring region of 7 ° C / watt was determined by the laser and 26 ° C / watt by the laser.
Zellpräparation cell preparation
MCF-10A Zellen (CRL-10317), eine nicht nicht-tumorigene Zelllinie, wurde von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) bezogen. Die Zellen wurden in einem 1 :1 Mix aus Dulbeccos modifiziertem Eagles's Medium (DMEM) und Harns F12 Medium gehalten. Der Mix war zusätzlich mit 5 % Pferde Serum, 20 ng/ml epidermalen Wachstumsfaktor, 10 μg ml Insulin, 100 ng/ml Cholera Toxin, 500 ng/ml Hydrocortison und 100 U/ml Penicillin / Streptomycin versetzt. Vor den Messungen wurden die Zellen, die in einer 25 cmA2 Kulturflasche (TPP, Trasadingen, Schweiz) kultiviert wurden, zweimal mit Phosphat gebufferter Salzlösung gewaschen und durch die Zugabe von 1 ml 0.025 % Trypsin-EDTA Lösung abgelöst. Die abgelösten Zellen wurden anschließend in 3 ml Kulturmedium suspendiert und bei 100 g für 4 min zentrifugiert. Schließlich wurden einzelne Zellen mit einer Konzentration von etwa 5x10Λ5 Zellen/ml in Kulturmedium re-suspendiert und in die Vorrichtung gegeben. MCF-10A cells (CRL-10317), a non-tumorigenic cell line, were obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were maintained in a 1: 1 mix of Dulbecco's modified Eagles's medium (DMEM) and Harns F12 medium. The mix was supplemented with 5% horse serum, 20 ng / ml epidermal growth factor, 10 μg ml insulin, 100 ng / ml cholera toxin, 500 ng / ml hydrocortisone and 100 U / ml penicillin / streptomycin. Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 culture flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution. The detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 × 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device.
MDA-MB-231 Zellen (HTB-26), eine tumorartige Brustepithelzelllinie, wurde von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) bezogen. Die Zellen wurden mit Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), angereichert mit 10 % fötalem Kälberserum (FCS) und 100 μg/ml Penicillin / Streptomycin, kultiviert. Vor den Messungen wurden die Zellen, die in einem 25 cmA2 Kolben (TPP, Trasadingen, Schweiz) kultiviert wurden, zweimal mit Phosphat gebufferter Salzlösung gewaschen und durch die Zugabe von 1 ml 0.025 % Trypsin-EDTA Lösung abgelöst. Die abgelösten Zellen wurden anschließend in 3 ml Kulturmedium suspendiert und bei 100 g für 4 min zentrifugiert. Schließlich wurden einzelne Zellen mit einer Konzentration von etwa 5x10Λ5 Zellen/ml in Kulturmedium re-suspendiert und in die Vorrichtung gegeben. MDA-MB-231 cells (HTB-26), a tumor-like breast epithelial cell line, was obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). Cells were cultured with Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) supplemented with 10% fetal calf serum (FCS) and 100 μg / ml penicillin / streptomycin. Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution. The detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 × 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device.
Balb3T3 Zellen (CCL-163) sind nicht-tumorigene Maus-Fibroblasten welche von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) bezogen wurden. Die Zellen wurden mit Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), angereichert mit 10 % Kälberserum (BCS) kultiviert. Vor den Messungen wurden die Zellen, die in einem 25 cmA2 Kolben (TPP, Trasadingen, Schweiz) kultiviert wurden, zweimal mit Phosphat gebufferter Salzlösung gewaschen und durch die Zugabe von 1 ml 0.025 % Trypsin-EDTA Lösung abgelöst. Die abgelösten Zellen wurden anschließend in 3 ml Kulturmedium suspendiert und bei 100 g für 4 min zentrifugiert. Schließlich wurden einzelne Zellen mit einer Konzentration von etwa 5x10Λ5 Zellen/ml in Kulturmedium re-suspendiert und in die Vorrichtung gegeben. CHO Zellen (CCL-61 ) sind nicht tumorartige Zellen, welche von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) bezogen wurden. Die Zellen wurden mit 10 % fötalem Kälberserum (FCS) angereicherten Ham'sF-12 kultiviert. Vor den Messungen wurden die Zellen, die in einem 25 cmA2 Kolben (TPP, Trasadingen, Schweiz) kultiviert wurden, zweimal mit Phosphat gebufferter Salzlösung gewaschen und durch die Zugabe von 1 ml 0.025 % Trypsin-EDTA Lösung abgelöst. Die abgelösten Zellen wurden anschließend in 3 ml Kulturmedium suspendiert und bei 100 g für 4 min zentrifugiert. Schließlich wurden einzelne Zellen mit einer Konzentration von etwa 5x10Λ5 Zellen/ml in Kulturmedium re-suspendiert und in die Vorrichtung gegeben. Balb3T3 cells (CCL-163) are non-tumorigenic mouse fibroblasts obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were cultured with Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) supplemented with 10% calf serum (BCS). Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution. The detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 × 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device. CHO cells (CCL-61) are non-tumor cells obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). The cells were cultured with 10% fetal calf serum (FCS) -enriched Ham'sF-12. Prior to measurements, cells cultured in a 25 cm A 2 flask (TPP, Trasadingen, Switzerland) were washed twice with phosphate buffered saline and detached by the addition of 1 ml of 0.025% trypsin-EDTA solution. The detached cells were then suspended in 3 ml of culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min. Finally, single cells at a concentration of about 5 × 10 5 cells / ml were re-suspended in culture medium and added to the device.
MCF7 Zellen (HTB-22) sind tumorartige menschliche Brustepithelzellen, welche von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) bezogen wurden. Die Zellen wurden kultiviert in 88 % Eagle's Minimal Essential Medium (PAA E15-825 angereichert mit L-Glutamine, 10 μg ml Insulin (Sigma-Aldrich, I6634), 1 mM = 1 10 μg ml Sodium Pyruvate (Sigma-Aldrich, P5280), 10 % fötalem Kälberserum (FCS), 1 % 100 g ml Penicillin / Streptomycin, und 1 % Non Essential Amino Acids (PAA M1 1 -003). Vor den Messungen wurden die Zellen, die in einem 25 cmA2 Kolben (TPP, Trasadingen, Schweiz) kultiviert wurden, zweimal mit Phosphat gebufferter Salzlösung gewaschen und durch die Zugabe von 1 ml 0.025 % Trypsin-EDTA Lösung abgelöst. Die abgelösten Zellen wurden anschließend in 3 ml Kulturmedium suspendiert und bei 100 g für 4 min zentrifugiert. Schließlich wurden einzelne Zellen mit einer Konzentration von etwa 5x10Λ5 Zellen/ml in Kulturmedium resuspendiert und in die Vorrichtung gegeben. MCF7 cells (HTB-22) are tumor-like human mammary epithelial cells obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). Cells were cultured in 88% Eagle's minimal essential medium (PAA E15-825 supplemented with L-glutamine, 10 μg ml insulin (Sigma-Aldrich, I6634), 1 mM = 1 10 μg ml sodium pyruvate (Sigma-Aldrich, P5280) , 10% Fetal Calf Serum (FCS), 1% 100 g ml Penicillin / Streptomycin, and 1% Non Essential Amino Acids (PAA M1 1 -003). Prior to measurements, the cells resuspended in a 25 cm A 2 flask (TPP Trasadingen, Switzerland), washed twice with phosphate buffered saline, and detached by the addition of 1 ml 0.025% trypsin-EDTA solution The resuspended cells were then suspended in 3 ml culture medium and centrifuged at 100 g for 4 min individual cells with a concentration of about 5x10 Λ 5 cells / ml in culture medium and added to the device.
Messungen measurements
Über einen Zeitraum von 5 Stunden wurde die Reaktion von 685 MCF-10A Zellen auf eine Deformation durch die stretch laser bei einer Leistung von Pstretch =700mW detektiert. Eine Sekunde bevor die Deformation einsetzte, wurden die Heizlaser aktiviert um zufällig einen Strahl der Leistung zwischen 0 und 1700 mW zu emittieren. Dadurch wurde eine plötzliche Temperaturerhöhung in der Messregion bewirkt. Da die Temperatur der Vorrichtung als Ganzes durch das Umwälzthermostat konstant auf einer beliebigen Temperatur einstellbar und somit bekannt ist, lässt sich die effektive Temperatur der Probe wie folgt ermitteln Over a period of 5 hours, the response of 685 MCF-10A cells to deformation was detected by the stretch laser at a power of P str, etc h = 700mW. One second before the deformation began, the heating lasers were activated to randomly emit a beam of power between 0 and 1700 mW. This caused a sudden increase in temperature in the measuring region. Since the temperature of the device as a whole is constantly adjustable and thus known by the circulating thermostat at any temperature, the effective temperature of the sample can be determined as follows
Teff = Tsetup + Pstretch + Pneiz^H (5) Teff = Tsetup + Pstretch + Pneiz ^ H (5)
Dabei wird die Temperaturerhöhung durch die Heizlaser mit einer Leistung PHeiZ berücksichtigt. Entsprechend der zuvor durchgeführten Temperaturkalibrierung beträgt die lokale Temperaturerhöhung in der Messregion durch die Heizlaser dabei ΔΤΗ « 7°C/Watt . Die Durchführung der Messungen an den MDA-MB-231 , BALB 3T3, CHO und MCF 7 Zellen erfolgte analog. The temperature increase is taken into account by the heating laser with a power P He i Z. According to the previously performed temperature calibration, the local temperature increase in the measuring region by the heating laser is ΔΤ Η «7 ° C / watt. The measurements on the MDA-MB-231, BALB 3T3, CHO and MCF 7 cells were carried out analogously.
Datenanalyse data analysis
Die Extraktion quantitativer Werte aus den an einzelnen Zellen durchgeführten Experimenten verlangt zunächst die digitale Bearbeitung von Bilderstapeln, die mit 30 fps mittels Video- Phasenkontrast-Mikroskopie aufgenommen wurden. Mittels eines implementierten Kantenerkennungs-Algorithmus wurde die äußere Begrenzung in jedem Querschnitt jeder einzelnen Zelle mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt. In einem zweiten Schritt wurde die Orientierung der Umhüllung der Zelle durch die aufgenommene Bilderfolge hindurch nachverfolgt, um so Messfehler zu korrigieren, die aus kleinen Rotationen der Zelle während der Messungen resultierten. Daten von Zellen die während der Messungen große Rotationen oder Rotationen um verschiedene Achsen zeigten wurden von der weiteren Evaluation ausgeschlossen. Die Deformation der verbleibenden Zellen wurde als relative Deformation ε(£) gemäß  The extraction of quantitative data from the experiments carried out on individual cells initially requires the digital processing of image stacks taken at 30 fps using video-phase-contrast microscopy. By means of an implemented edge detection algorithm, the perimeter in each cross section of each individual cell was determined with subpixel accuracy. In a second step, the orientation of the envelope of the cell was tracked through the captured image sequence so as to correct for measurement errors resulting from small cell cell rotations during the measurements. Data from cells showing large rotations or rotations about different axes during the measurements were excluded from further evaluation. The deformation of the remaining cells was determined as relative deformation ε (£) according to
. . (Lu(t)-L„(-ls<t<0s)) , , (L u (t) -L "(-ls <t <0s))
W (Ln(-ls<t<0s)) { ' bestimmt, wobei L (t) die parallel zur Achse der stretch laser gemessene Länge der Zellen ist. W (Ln (-ls <t <0s)) { ', where L (t) is the length of the cells measured parallel to the axis of the stretch laser.
Implementierung der TTS und Bestimmung der Aktivierungsenergie Implementation of the TTS and determination of the activation energy
Die aus der bei verschiedenen Temperaturen gemessenen relativen Verformung und der Leistung der stretch laser gemäß (1 ) ableitbaren Kurven J(t) zum Kriechverhalten der Zellen, wurden mittels eines selbst konstruierten Algorithmus zu einer Master-Kurve überlappt. Dabei wurden alle diese Kurven, nach der Bestimmung einer Referenztemperatur, gemäß (2) skaliert, wobei der Skalierungsfaktor aj systematisch variiert wurde, um den Fehler der Überlappung zu minimieren.  The creep behavior of the cells derived from the relative deformation measured at different temperatures and the power of the stretch lasers according to (1) derivable curves J (t) were overlapped by means of a self-constructed algorithm into a master curve. In doing so, after determining a reference temperature, all these curves were scaled according to (2), whereby the scaling factor aj was systematically varied to minimize the overlap error.
Aktivierungsenergie activation energy
Unter Verwendung des so bestimmten Skalierungsfaktors bestimmten time shift factors aj, konnten die gemessenen Kurven zum Kriechverhalten J(t) überlappt werden (vgl. Fig.2 (A), (B)). Gemäß der Arrhenius Gleichung (3) kann aus den Skalierungsfaktoren aj die Aktivierungsenergie bestimmt werden. Die gemessenen Shift-Faktoren erscheinen linear, wobei die Steigung proportional zur Aktivierungsenergie für den viskosen Fluss der Zellen ist. Daraus ergeben sich Werte für die Aktivierungsenergie von ~ 80 kJ/Mol für MCF-10A Zellen, -170 kJ/Mol für MDA-MB-231 Zellen (vgl. Fig.3 (A)), ~ 75 kJ/Mol für BALB 3T3 Zellen, ~ 47 kJ/Mol für CHO Zellen und ~ 141 kJ/Mol für MCF 7 Zellen (Fig.3 (B)). Diagnose von Krebserkrankungen Using the time shift factors aj determined in this way, the measured curves could be overlapped with respect to the creep behavior J (t) (compare Fig. 2 (A), (B)). According to the Arrhenius equation (3), the activation energy can be determined from the scaling factors aj. The measured shift factors appear linear, the slope being proportional to the activation energy for the viscous flow of the cells. This gives values for the activation energy of ~ 80 kJ / mol for MCF-10A cells, -170 kJ / mol for MDA-MB-231 cells (compare Fig. 3 (A)), ~ 75 kJ / mol for BALB 3T3 Cells, ~ 47 kJ / mol for CHO cells and ~ 141 kJ / mol for MCF 7 cells (FIG. 3 (B)). Diagnosis of cancers
Aus den in Fig. 2 dargestellten Deformationsdaten für MCF-10A, BALB 3T3 und CHO (gesund) und MDA-MB 231 und MCF 7 (krebsartig) bei verschiedenen Temperaturen ist deutlich zu erkennen, dass die Antwort der gesunderen Zellen sich von den krebsartigen unterscheidet.  From the deformation data shown in Figure 2 for MCF-10A, BALB 3T3 and CHO (healthy) and MDA-MB 231 and MCF 7 (cancerous) at different temperatures, it can be clearly seen that the response of the healthier cells is different from the cancerous ones ,
Durch die Bestimmung der zur Überlappung der Kurven benötigten shift factors, insbesondere des time shift factors aT, lassen sich die gesunden Zellen zuverlässig von den krebsartigen Zellen unterscheiden (vgl. Fig. 3 (A),(B)). By determining the shift factors required for the overlap of the curves, in particular the time shift factor a T , the healthy cells can be reliably distinguished from the cancerous cells (see Fig. 3 (A), (B)).
Kritische Temperatur Critical temperature
In der zuvor genannten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung von Zellen wurde die Temperatur T des Aufbaus als Ganzes konstant gehalten, während der Einfluss einer plötzlichen Erhöhung der Probentemperatur bestimmt wurde. Um zu bestimmen, wie die Zellen auf Temperaturänderungen über einen längeren Zeitraum reagieren, wurden das Kriechverhalten der Zellen bei verschiedenen Temperaturen des Aufbaus als Ganzes TsetUp bestimmt. Dabei hatten die Zellen einige Minuten bis Stunden Zeit, um sich an die veränderten Temperaturen anzupassen. Zu Beginn wurde die Vorrichtung als Ganzes auf 37 °C temperiert und ca. 200 Zellen innerhalb von ungefähr 3 h vermessen. Nachfolgend wurden der Probenhalter und die Kapillare erst auf 25 °C, dann auf 15 °C herunter gekühlt und die Messungen an ungefähr derselben Anzahl an Zellen und im selben Bereich der Laserpower wiederholt Pstretch (zufällig ausgewählt zwischen 500 und 1 100 mW) wiederholt. Bei jeder Abkühlung dauerte es in etwa 20 bis 25 Minuten, bis das gesamte Setup thermisch equibriliert war. Zellen, die während des Temperaturübergangs gemessen wurden, wurden von der weiteren Evaluation der Daten ausgeschlossen, da die wirkliche Temperatur in der Messkammer nicht exakt bestimmbar war. In the above-mentioned operation of the cell characterizing method of the present invention, the temperature T of the structure as a whole was kept constant while the influence of a sudden increase in the sample temperature was determined. To determine how cells respond to changes in temperature over a longer period, the creep behavior of the cells at different temperatures of the structure was determined as a whole T se t U p. The cells had a few minutes to hours to adapt to the changing temperatures. At the beginning, the device was tempered as a whole to 37 ° C and about 200 cells measured within about 3 h. Subsequently, the sample holder and capillary were first cooled down to 25 ° C, then down to 15 ° C, and the measurements repeated at approximately the same number of cells and in the same range of laser power repeatedly Pstretch (chosen randomly between 500 and 1100 mW). With each cool down, it took about 20 to 25 minutes for the entire setup to be thermally equilibrated. Cells measured during the temperature transition were excluded from further evaluation of the data because the true temperature in the measuring chamber could not be accurately determined.
Die so bestimmten Kurven des Kriechverhaltens J(t) wurden gemäß (4) unter Verwendung eines time shift factors aj und eines modulus shift factors br zur Überlagerung gebracht. Für die bei 15 °C bestimmten Kurven ist für alle Werte der Laserleistung Pstretch der Wert für bj konstant. Die bei 25 °C bestimmten Kurven hingegen können nur mit verschiedenen Werten für bT zur Überlappung gebracht werden. Dasselbe trifft für die bei 37 °C durchgeführten Messungen zu. Diesen Messungen ist zu entnehmen, dass alle Zellen für eine Temperatur Teff>TCRiT thermorheologisch komplexes Verhalten, charakterisiert durch die Notwendigkeit eines nicht konstanten modulus shift factors bT, zeigen (vgl. Fig. 4B). Für die MCF-10A Zellen wurde die kritische Temperatur zu TCRIT « 52°C bestimmt. Die Temperatur TCRIT ist dabei ein für Zellen gleichen Typs konservierter Wert und daher zur Charakterisierung und Differenzierung von Zellen anhand ihres Zelltyps geeignet. Zusätzlich kann man aus den Daten folgern, dass ein bT immer auch dann nötig ist, wenn die Zellen eine charakteristisch lange Zeitspanne einer neuen Setup-Temperatur ausgesetzt sind. The thus determined creep behavior curves J (t) were superimposed according to (4) using a time shift factor aj and a modulus shift factor br. For the curves determined at 15 ° C, the value for bj is constant for all values of the laser power Pstretch. The curves determined at 25 ° C, however, can be overlapped only with different values for b T. The same applies to measurements taken at 37 ° C. These measurements show that all cells exhibit thermorheologically complex behavior for a temperature T e ff> T C RiT, characterized by the necessity of a non-constant modulus shift factor b T (see Fig. 4B). For the MCF-10A cells, the critical temperature was determined to be T CRIT "52 ° C. The temperature T C RIT is a value conserved for cells of the same type and therefore suitable for the characterization and differentiation of cells on the basis of their cell type. In addition one can from the Data conclude that a b T is always necessary even when the cells are exposed to a characteristically long period of time at a new setup temperature.

Claims

Patentansprüche claims
1 ) Vorrichtung zur Charakterisierung von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln, aufweisend a) eine Messkammer zur Aufnahme einer in einer Flüssigkeit befindlichen Probe, b) eine Temperierungseinrichtung zur Einstellung der Temperatur von Messkammer und der Flüssigkeit, c) eine mikrorheologische Vorrichtung zur Erzeugung gezielter Spannungszustände in der Probe, d) mindestens einen Heizlaser mit von der Probe beabstandeten Strahlverlauf, e) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der geometrischen Form und/oder der mechanischen Eigenschaften der Probe und f) mindestens einen Detektor zur Bestimmung der Temperatur der Probe. 1) Apparatus for characterizing cells, tissue samples or particles, comprising a) a measuring chamber for receiving a sample contained in a liquid, b) a tempering device for adjusting the temperature of the measuring chamber and the liquid, c) a micro-rheological device for generating specific stress states in d) at least one heating laser with a beam path spaced from the sample, e) at least one detector for determining the geometric shape and / or the mechanical properties of the sample, and f) at least one detector for determining the temperature of the sample.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 2) Device according to claim 1, characterized in that
die mikrorheologische Vorrichtung einen Optical Tweezer, einen optischen Strecker, ein AFM-Kraftmikroskop, eine magnetische Pinzette, eine Mikropipette einen, Ultraschallerzeuger, ein mikrofluidisches Strömungshindernis und/oder eine Einrichtung zur Erzeugung von Elektrophorese umfasst.  the micro-rheological device comprises an optical tweezer, an optical straightener, an AFM force microscope, magnetic tweezers, a micropipette, an ultrasound generator, a microfluidic flow obstruction, and / or a device for generating electrophoresis.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass a) die Messkammer als ein mikrofluidischer Kanal ausgebildet ist, b) die Messkammer kontinuierlich mit temperiertem Wasser spülbar ist, c) die mikrorheologische Vorrichtung durch zwei, über lichtleitende Fasern in den mikrofluidischen Kanal gerichtete, zu diesem senkrecht sowie zueinander achsenfluchtend angeordnete stretch laser gebildet ist, d) der mindestens eine Heizlaser über eine separate lichtleitende Faser in den mikrofluidischen Kanal geleitet wird und e) mindestens ein Detektor zur Bestimmung von geometrischer Form und Temperatur der Probe in oder relativ zum mikrofluidischen Kanal angeordnet ist. I 3) Device according to claim 1, characterized in that a) the measuring chamber is formed as a microfluidic channel, b) the measuring chamber is continuously rinsed with tempered water, c) the mikrorheologische device by two, directed via photoconductive fibers in the microfluidic channel, d) the at least one heating laser is conducted via a separate light-conducting fiber into the microfluidic channel and e) at least one detector for determining the geometric shape and temperature of the sample in or relative to the microfluidic channel is arranged. I
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitenden Fasern von stretch laser und Heizlaser so angeordnet sind, dass sich deren Strahlverläufe innerhalb der Messkammer nicht überlagern und/oder der Abstand des Heizlasers zu der mittels der stretch laser positionierten Probe zwischen 1 μηη und 1000 μηη beträgt.  Apparatus according to claim 3, characterized in that the light-conducting fibers of stretch laser and heating laser are arranged so that their beam paths do not overlap within the measuring chamber and / or the distance of the heating laser to the means of the stretch laser positioned sample between 1 μηη and 1000th μηη is.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that
die Wellenlänge der stretch laser zwischen 300 nm und 2000 nm und diethe wavelength of the stretch laser is between 300 nm and 2000 nm and the
Wellenlänge der Heizlaser zwischen 900 nm und 3000 nm beträgt. Wavelength of the heating laser is between 900 nm and 3000 nm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtmikroskopischer Aufbau relativ zum mikrofluidischen Kanal angeordnet ist und Abbildungen von Probe und Kanal an einen, zur Detektion optischer Informationen in einem Spektralbereich von 300 nm bis 800 nm geeigneten, Detektor übertragbar sind. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that a light microscope structure is arranged relative to the microfluidic channel and images of sample and channel to a suitable for the detection of optical information in a spectral range from 300 nm to 800 nm detector are transferable.
Verfahren zur Charakterisierung von Zellen, Gewebeproben oder Partikeln, wobei eine zu untersuchende Probe zusammen mit einer Flüssigkeit in einer Messkammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird, in der Probe mittels einer mikrorheologischen Vorrichtung gezielt Spannungszustände erzeugt werden und diese dadurch verformt wird, wobei zuvor, gleichzeitig oder während der Verformung, jedoch kausal unabhängig von dieser eine Erhitzung der Probe um bis zu 100 K in einer Zeit von 1 ms bis 1000 ms erfolgt, die Verformung der Probe, in Abhängigkeit von den mittels der mikrorheologischen Vorrichtung erzeugten Kräften, der Probentemperatur und der Zeit, detektiert wird und daraus biomechanische und thermodynamische Kenngrößen abgeleitet werden. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine zu untersuchende Probe zusammen mit einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Kanal auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird, b) die Probe durch mindestens einen divergenten stretch laser verformt wird, c) zuvor, gleichzeitig oder während der Verformung mittels mindestens eines Heizlasers ein von der Probe beabstandetes Volumen der Flüssigkeit um bis zu 100 K in einer Zeit von 1 ms bis 1000 ms erhitzt und dadurch die Probe erhitzt wird, d) die Verformung der Probe in Abhängigkeit der Leistung der stretch laser, der Probentemperatur und der Zeit mittels eines optischen Aufbaus detektiert wird. A method for characterizing cells, tissue samples or particles, wherein a sample to be examined is brought together with a liquid in a measuring chamber to a certain temperature, in the sample by means of a micro-rheological device targeted stress conditions are generated and thereby deformed, wherein previously, simultaneously or during deformation, but causally independently of this heating of the sample by up to 100 K in a time of 1 ms to 1000 ms, the deformation of the sample, depending on the forces generated by the micro-rheological device, the sample temperature and the Time is detected and derived from it biomechanical and thermodynamic parameters. A method according to claim 7, characterized in that a) a sample to be examined is brought together with a liquid in a microfluidic channel to a certain temperature, b) the sample is deformed by at least one divergent stretch laser, c) before, simultaneously or during the deformation is heated by means of at least one heating laser, a volume of liquid spaced from the sample by up to 100 K in a time of 1 ms to 1000 ms and thereby the sample is heated, d) the deformation of the sample depending on the performance of the stretch laser, the sample temperature and the time is detected by means of an optical structure.
9) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass 9) Method according to claim 7 or 8, characterized in that
die Wellenlänge des Heizlasers in Abhängigkeit des wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten der verwendeten Flüssigkeit gewählt wird.  the wavelength of the heating laser is selected as a function of the wavelength-dependent absorption coefficient of the liquid used.
10) Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass 10) Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that
die Probentemperatur über die temperaturabhängige Intensität der gemessenen Fluoreszenzstrahlung eines in der Flüssigkeit befindlichen Fluoreszenzfarbstoffs bestimmt wird.  the sample temperature is determined by the temperature-dependent intensity of the measured fluorescence radiation of a fluorescent dye in the liquid.
1 1 ) Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) für eine Vielzahl gleichartiger Proben deren Verformung, in Abhängigkeit der auf diese ausgeübten Kraft sowie der Temperatur T, bestimmt wird, b) die so gewonnen Daten gemäß TTS mittels time shift factors aj -, skaliert werden, c1 ) und aus den time shift factors aj -, die zellspezifische Aktivierungsenergie EA bestimmt wird und/oder c2) die Abhängigkeit der time shift factors aj -, von der Temperatur qualitativ ausgewertet wird. 12) Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass a) die gewonnen Daten gemäß TTS mittels eines time shift factors
Figure imgf000034_0001
und eines modulus shift factors byj skaliert werden b1 ) und aus dem modulus shift factors byj die zellspezifische kritische Temperatur TCRIT bestimmt wird und/oder b2) die Abhängigkeit der modulus shift factors bj,i von der Temperatur qualitativ ausgewertet wird.
1 1) Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that a) for a plurality of similar samples whose deformation, in dependence of the force exerted on them and the temperature T is determined, b) the data thus obtained in accordance with TTS means time shift factors aj -, scaled, c1) and from the time shift factors aj -, the cell-specific activation energy EA is determined and / or c2) the dependence of the time shift factors aj - on the temperature is qualitatively evaluated. 12) Method according to claim 1 1, characterized in that a) the data obtained according to TTS by means of a time shift factors
Figure imgf000034_0001
and a modulus shift factor are scaled byj b1) and the cell-specific critical temperature TCRIT is determined from the modulus shift factors byj and / or b2) the dependence of the modulus shift factors bj, i on the temperature is qualitatively evaluated.
13) Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 7 bis 12. 13) Use of a device according to one of claims 1 to 6 for carrying out a method according to one of claims 7 to 12.
14) Verwendung eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 7 bis 12 oder einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6 zur Prognose und Diagnostik von Krebserkrankungen. 14) Use of a method according to any one of claims 7 to 12 or a device according to one of claims 1 to 6 for the prognosis and diagnosis of cancer.
15) Verwendung eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 7 bis 12 oder einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6 zum Screening von Substanzen als potentielle medizinische Wirkstoffe. 15) Use of a method according to any one of claims 7 to 12 or a device according to any one of claims 1 to 6 for the screening of substances as potential medicinal agents.
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