CETAL | PED Projects (PN-III-P2-2.1-PED) | TUMOSIGN

PED_596 Project

English (Engleză)
Project title: Optoelectric microfluidic system for tumor cells characterization and separation according to their malignancy grade/ TUMOSIGN
Periode: 21 Jun 2022 - 20 Jun 2024

Partners:
National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - INFLPR (Coordinator)
University of Medicine and Pharmacy "Carol Davila" Bucharest – UMF (Partner 1)
National Institute of Materials Physics – INCDFM (Partner 2)

Contact Person:
Project Director: Dr. Felix SIMA

Coordinator:
National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania

Project Summary:

In the present project we shall fabricate and validate a microfluidic device based on dielectrophoresis and optical tweezers capable to characterize and separate cancer cells according to their malignancy potency. Specifically, using a novel fabrication approach, we will develop a compact glass based optoelectric biochip for efficient cell trapping followed by microfluidic separation. The device will provide a complete label-free method of cell separation and consists in creating a double trap due to gradients of electric field amplitude and laser light intensity. The sorted cells can be further used for downstream applications (such as, precision medicine diagnostic by providing specific cell subsets or obtaining specific cell cultures for selection of chemotherapy drugs). The device has the perspective to be integrated into an automated theranostic technology or system to evaluate specific cancer cells types and to sort them in designated groups.

Objectives:

The project objectives are: (i) designing and testing new biochips based on dielectrophoresis (DEP) and optical tweezers (OT) with potential of technological transfer and (ii) obtaining a functional biochip for sorting tumor cells based on opto-electric fingerprint (OEF).
The feasibility of the project is ensured by reaching the following Specific Objectives: O1. Opto-electric characterization of cancer cells with different capacity of malignancy. O2. Identification of homogeneous cancer cell populations with similar OEF. O3. Selection and sorting of cancer cells according to their OEF. O4. Validation of cancer cells separation concept and selection procedure based on OEF.

Research Team:

• Dr. Felix Sima – responsible coordinator - INFLPR
• Prof. Univ. Dr. Tudor Savopol – responsible P1 - UMF
• Dr. George Stan– responsible P2 - INCDFM
• Dr. Emanuel Axente - INFLPR
• Dr. Florin Jipa - INFLPR
• Dr. Cristina Nita - INFLPR
• PhD student Elena-Cristina Staicu - INFLPR
• Dr. Mihaela-Georgeta Moisescu - UMF
• Dr. Ioan-Cristian Tivig - UMF
• Dr. Andreas Rinne - UMF
• PhD student Christien Oktaviani Matei - UMF
• Dr. Cristina Besleaga - INCDFM
• Tech. Catalin Radulescu - INCDFM

Română (Romanian)
Titlul proiectului: Sistem microfluidic opto-electric pentru caracterizarea si separarea celulelor tumorale in functie de gradul de malignitate/ TUMOSIGN
Perioada: 21 Iun 2022 - 20 Iun 2024

Parteneri:
Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației – INFLPR (Coordonator)
Universitatea de Medicina si Farmacie "Carol Davila" – UMF (Partener 1)
Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor - INCDFM (Partener 2)

Persoana de contact:
Director Proiect: Dr. Felix SIMA (INFLPR)

Coordonator:
Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, ROMÂNIA

Rezumat:

In acest proiect, propunem fabricarea si validarea unui dispozitiv microfluidic bazat pe dielectroforeza si penseta laser, capabil sa caracterizeze si sa sorteze celule canceroase in functie de potentialul malign. In particular, printr-o noua abordare de fabricare, vom dezvolta un biocip optoelectric pe baza de sticla pentru trapare celulara urmata de separare prin metode microfluidice. Dispozitivul va putea separa populatii celulare printr-o metoda lipsita complet de marcare chimica, prin crearea unei duble capcane celulare rezultate in urma unui gradient al amplitudinii campului electric si respectiv al intensitatii fasciculului laser. Celulele sortate pot fi apoi utilizate pentru aplicatii diverse (precum, obtinerea unui diagnostic precis prin separarea unor subpopulatii celulare specifice sau obtinerea unor culturi celulare specifice pentru selectia citostaticelor in tratamentul cancerului). Dispozitivul are perspective de a fi integrat intr-o tehnologie sau sistem automatizat de medicina teranostica pentru evaluarea unor tipuri de celule canceroase de interes medical si separarea acestora.

Obiective:

Obiectivele generale ale proiectului sunt: (i) proiectarea si testarea unor noi biocipuri bazate pe dielectroforeza si penseta laser, cu potential de transfer tehnologic si (ii) obtinerea unui biocip functional pentru sortarea celulelor canceroase pe baza unei amprente opto-electrice.
Realizarea proiectului este bazata pe urmatoarele obiective specifice: O1. Caracterizarea opto-electrica a celulelor canceroase in functie de potentialul malign. O2. Identificarea populatiilor celulare omogene cu amprenta optoelectrical similara. O3. Selectia si sortarea celulelor canceroase dupa amprenta optoelectrical. O4. Validarea conceptului de separare a celulelor canceroase si a procedurii de selectie pe baza amprentei opto-electrice.

Echipa de cercetare:

• Dr. Felix Sima – responsabil coordonator - INFLPR
• Prof. Univ. Dr. Tudor Savopol - responsabil partener 1 - UMF
• Dr. George Stan – responsabil partener 2 - INCDFM
• Dr. Emanuel Axente - INFLPR
• Dr. Florin Jipa - INFLPR
• Dr. Cristina Nita - INFLPR
• PhD student Elena-Cristina Staicu - INFLPR
• Dr. Mihaela-Georgeta Moisescu - UMF
• Dr. Ioan-Cristian Tivig - UMF
• Dr. Andreas Rinne - UMF
• PhD student Christien Oktaviani Matei - UMF
• Dr. Cristina Besleaga - INCDFM
• Tech. Catalin Radulescu - INCDFM

RESULTS:

Proiectul TUMOSIGN a avut ca obiective principale: (i) proiectarea și testarea unor noi biocipuri bazate pe dielectroforeză (DEP) și pensetă optica (OT), cu potențial de transfer tehnologic și (ii) obținerea unui biocip funcțional pentru sortarea celulelor canceroase pe baza unei amprente opto-electrice. In acest scop, au fost realizate simulari numerice si experimente pentru proiectarea si fabricarea unui dispozitiv microfluidic miniatural (Figura 1. a si b). Dispozitivul microfluidic este compus din 3 componente care îndeplinesc funcții diferite. Componenta 1 este o lamelă de sticlă cu o grosime redusă care permite interogarea cu penseta optică cu obiective cu mărire mare și reprezintă baza dispozitivului. Aceasta acomodează 3 seturi de câte 2 piloni cu dimensiuni și distanțe de separare controlabile, fabricați din fotorezist SU-8 prin fotopolimerizare cu 2 fotoni (Figura 1.c si inset-uri). Rolul pilonilor este de a genera un câmp electric cu un gradient puternic între aceștia, care contribuie atât la captarea unicelulară cât și la menținerea celulelor departe de electrozi, fapt care asigură că acestea nu va suferi nicio deteriorare ca urmare a contactului cu electrodul. Componenta 2 are rolul de a ghida celulele precum și de a genera efectul de dielectroforeză. Conține două rezervoare cu diametrul de 2 mm și un canal microfluidic cu o lățime de 0,2 mm și lungime de 2 mm care unește cele două rezervoare și acomodează electrozi metalici din Ti/Pt. Componenta 3 are rolul de a acoperi canalul microfluidic și a menține astfel celulele separate într-un mediu steril. Aceasta are două orificii de 2 mm in dreptul rezervoarelor Componentei 2 pentru manipularea fluidelor de interes. In Figura 1.d se pot observa cateva imagini succesive achizitionate prin microscopie, utilizand cipul realizat in cadrul acestui proiect. Celula marcata cu un cerc rosu a fost prinsa in penseta optica si adusa intr-o pozitie simetrica fata de cei doi stalpi, dar nu pe axul dintre acestia (Figura 1.e). Dispozitivul prezintă potențialul de a fi integrat într-o tehnologie sau sistem automatizat de medicină teranostică pentru evaluarea unor tipuri de celule canceroase de interes medical și separarea acestora.

Figura 1. Proiectare 3D a componentelor dispozitivului microfluidic (a); imagine fotografica a cipului dupa asamblare (b); imagine optica a canalului microfluidic si a pilonilor (c) cu evidentierea unui set de piloni si a unui singur pilon. Imagini microscopice succesive, achizitionate la valori crescatoare ale potentialului electric de dielectroforeza. Celula inconjurata cu un cerc rosu este initial prinsa in penseta optica (d), primele 3 imagini pentru ca, la tensiuni suficient de mari, sa fie smulsa din aceasta si sa se aseze stabil intr-o noua pozitie de echilibru, intre cei doi stalpi (e).

Publications:

[1] I. Tivig, M.G. Moisescu, T. Savopol, OpenDEP: An Open-Source Platform for Dielectrophoresis Spectra Acquisition and Analysis, ACS Omega 8, 38715, 2023.

[2] I. Tivig, L. Vallet, M. G. Moisescu, R. Fernandes, F. M. Andre, L. M. Mir, T. Savopol, Early differentiation of mesenchymal stem cells is reflected in their dielectrophoretic behavior, Scientific Reports 14, 4330, 2024.

[3] D. S. Yadav, I. Tivig, T. Savopol, M. G. Moisescu, BMC Ophthalmology, under review, preprint: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3990940/v1

Patents:
1. I. Tivig*, Fl. Jipa*, A. Bran,.C. Besleaga, M. Moisescu, E. Axente, G. Stan, T. Savopol, F. Sima,Dispozitiv microfluidic opto-electric pentru captarea si separarea celulelor tumorale cu ajutorul pensetei laser si dielectroforezei, submitted to OSIM 2024, A100408/10.07.2024.2

Proceedings:

[1] F. Sima, M. Hanzawa, K. Obata, H. Kawano, K. Sugioka, “Processing 3D transparent materials with sub-micron precision by ultra-fast laser technologies: application to cancer research”, Proceedings of LPM2023 – the 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 1-4, 2023.

[2] A. Bran, S. Orobeti, F. Jipa, E. Axente, L. E. Sima, F. Sima, K. Sugioka, Polymeric scaffolds fabricated by two photon polymerization for cancer cell invasion assay, Proceedings of SPIE, Laser-based Micro-and Nanoprocessing XVIII 12873, 70-78, 2024.

Conference presentations:
[1] F. Jipa, Stefana Orobeti, Cristina Staicu, Emanuel Axente, Hiroyuki Kawano, Koji Sugioka, Felix Sima, “Processing transparent materials with sub-micron precision by ultrafast laser technologies: application to cancer research”, CurvoBio2022 Workshop, Berlin, Germany, (poster presentation), 24-26 August 2022

[2] T. Savopol, I. Tivig, M. G. Moisescu, Order changes of lipids in membranes exposed to electropermeabilization pulses, oral presentation, 17-a Conferință Națională de Biofizică, CNB2022, Tg. Mureș, 23-26 Septembrie 2022

[3] D. Singh-Yadav, I. Tivig, M. G. Mmoisecu, T. Ssavopol, Single-cell opto-electric manipulation for characterization and separation of retinal pigment epithelial cells, poster presentation, 17-a Conferință Națională de Biofizică, CNB2022, Tg. Mureș, 23-26 Septembrie 2022

[4] Ioan Tivig, Tudor Savopol, Mihalea G. Moisescu 3D printing capability in producing specialized devices for biophysics research, poster presentation, 17-a Conferință Națională de Biofizică, CNB2022, Tg. Mureș, 23-26 Septembrie 2022

[5] I. Tivig, M. G. Moisescu, T. Savopol, Electropermeabilization and the packing of bilayer lipids: a problem addressed by real-time fluorescence measurements, oral presentation, 4th World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine, and Food & Environmental Technologies Copenhagen, Denmark 9−13 October, 2022

[6] I. Tivig, M. G. Moisescu, E. Kovacs, T. Savopol, Characterization of an experimental setup for recording fluorescence in real-time from a cell membrane exposed to electric pulses, oral presentation, 4th World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine, and Food & Environmental Technologies Copenhagen, Denmark 9−13 October, 2022

[7] I. Tivig, “Innovative Lab-on-a-chip systems for the electrical characterization of cells”, Oral presentation, CETAL Workshop (https://lpr-st.ro/evenimente/), May 3, 2023.

[8] F. Sima, F. Jipa, C. Staicu, S. Orobeti, L. Ionel, A. Bran, E. Axente, K. Sugioka, “Transparent material processing by laser technologies for Lab-on-Chip applications”, International Conference on processing & manufacturing of advanced materials: processing, fabrication, properties, applications (Thermec23), Vienna, Austria (invited presentation), July 2 - 7, 2023.

[9]. F. Sima, K. Obata, M. Hanzawa, H. Kawano, F. Jipa, A. Bran, E. Axente, K. Sugioka, Glass biochips with tailored volume shapes fabricated by ultrafast laser processing for cancer research, SPIE Photonics West, SPIE Conference 12872: Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM) XXIX, SPIE Laser-based Micro-and Nanoprocessing XVIII 12873, San Francisco, USA, (oral presentation) 27 Jan – 1 Feb. 2024.

[10]. A. Bran, S. Orobeti, F. Jipa, E. Axente, L. E. Sima, F. Sima, K. Sugioka, Polymeric scaffolds fabricated by two photon polymerization for cancer cell invasion assay, SPIE Photonics West, SPIE Conference 12872: Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM) XXIX, SPIE Laser-based Micro-and Nanoprocessing XVIII 12873, San Francisco, USA, (oral presentation), 27 Jan – 1 Feb. 2024.

[11]. F. Sima, K. Obata, M. Hanzawa, H. Kawano, F. Jipa, A. Bran, Emanuel Axente, K. Sugioka, Biochips with tailored volume shapes fabricated by ultrafast laser processing for cancer research, 9th edition of the International Workshop on Materials Physics (IWMP), Magurele, Romania, (invited presentation), May 14-16, 2024.

[12]. F. Sima, K. Obata, M. Hanzawa, H. Kawano, F. Jipa, Al. Bran, E. Axente, K. Sugioka, Three dimensionally tailored volume shapes fabricated in glass by laser processing for cancer research, 25th International Symposium On Laser Precision Microfabrication (LPM2024), San Sebastian, Spain, (oral presentation), June 11-14, 2024.

[13]. F. Jipa, L. Ionel, G. Popescu-Pelin, Al. Bran, E. Axente, K. Sugioka, F. Sima, A novel 3D laser micro-fabrication approach for efficient processing of photosensitive glasses, 25th International Symposium On Laser Precision Microfabrication (LPM2024), San Sebastian, Spain, (oral presentation), June 11-14, 2024.

[14]. A. Bran, S. Orobeti, F. Jipa, E. Axente, L. E. Sima, F. Sima, K. Sugioka, Two photon polymerization of porous scaffolds: cancer cell invasiveness versus motility, 25th International Symposium On Laser Precision Microfabrication (LPM2024), San Sebastian, Spain, (oral presentation), June 11-14, 2024.

[15]. A. Bran, St. Orobeti, F. Jipa, E. Axente, L.E. Sima, F. Sima, K. Sugioka, Two photon polymerization of porous scaffolds: 2D cell motility for understanding 3D cell invasiveness, International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology (ICLPRST), Danube Delta, Romania, oral presentation), June 16-21, 2024.

RESEARCH OUTREACH:
Project Open Days: "Cancer-on-chip" experiment prepared and presented live to students and general public during visiting the research institution and lab (Big Brother la microscop: celule canceroase vii observate în nano-acvarii, Saptamana Portilor Deschise la INFLPR, 26-28 septembrie 2022, http://portideschise.inflpr.ro/index.php/experimente/)

CETAL | PED Projects (PN-III-P2-2.1-PED) | TUMOSIGN

Research Infrastructure

Site map

Contact