Inženýrské principy v buněčné biologii (Engineering principles in cellular biology)

Ing. Pavel FIKAR

Doctoral thesis

Abstract:

The use of Dielectrophoresis (DEP) generated by non-uniform electric fields showed to be an interesting alternative to standard flow cytometry technology enabling non-invasive label-free cell measurements. This thesis investigates Dielectrophoretic (DEP) cytometry from three per- spectives. First, the importance of precise alignment of microchannels with microelectrode structures was formulated for precision requiring applications. A novel highly precise SU-8 fabrication tech- nology suitable for fast prototyping was employed to construct microfluidic devices for sensitive DEP manipulation of live cells. Second, a novel method called Distributed Dielectrophoretic Cytometry (2DEP Cytometry) was developed and integrated in a microfluidic device. It uses a DEP-induced vertical translation of live cells in conjunction with Particle Image Velocimetry (PIV) in order to measure probabilistic distribution of DEP forces on an entire cell population. Applications of 2DEP Cytometry in synthetic biology and cancer research were demonstrated by performing comparative study on genetically modified Saccharomyces cerevisiae cell populations and stressed Human Immortalised Myelogenous Leukemia (K562) cell lines. Finally, statistical analytical tools were applied to quantify the dissimilarity between population signatures of cells in different cell states in terms of Wasserstein distance spectra, denoted as Wasserstein signatures. It was shown these signatures may be used as reliable biomarkers for cell changes.

Abstract:

Využití Dielektroforézy (DEP) generované neuniformními AC elektrickými poli se ukázalo být zajímavou alternativou standardní průtokové cytometrie umožňující neinvazivní bezznačková měření buněčných vlastností. Tato práce zkoumá Dielektroforetickou (DEP) cytometrii ze tří úhlů. Za prvé byla formulována důležitost precizního zarovnání mikrokanálů s mikroelektrodovými strukturami v aplikacích vyžadujících vysokou přesnost. Nová, vysoce přesná výrobní technologie na bázi SU-8 vhodná pro rychlé prototypování byla využita k návrhu citlivé DEP manipulace živých buněk. Za druhé byla vyvinuta nová metoda nazvaná Distribuovaná Dielektroforetická Cytometrie (2DEP Cytometrie) a byla integrována v mikrofluidickém zařízení. Ta využívá DEP-indukovanou vertikální translaci živých buněk ve spojení s Částicovou Velocimetrií (PIV) za účelem měření pravděpodobnostních distribucí DEP sil na celých buněčných populacích. Aplikace 2DEP Cytometrie v syntetické biologii a výzkumu rakoviny byly demonstrovány provedením komparativních studií geneticky modifikovaných buněčných populací Saccharomyces Cerevisiae (S. Cerevisiae) a stresovaných Lidských Imortilizovaných Leukemický (K562) buněčných liniích. V závěru byly statistické analytické nástroje aplikovány za účelem kvantifikace rozdílů mezi populačními podpisy buněk v rozdílných stavech ve smyslu spektrálních Wassersteinových vzdáleností. Ukázalo se, že tyto podpisy mohou být využity jako spolehlivé biomarkery pro buněčné změny.

Keywords

Dielektroforéza, mikrofluidika, cytometrie

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 12. 2016

Zverejniť od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 12. 12. 2016

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / odbor:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics