RBC deformability fractionation and hydrodynamic trapping for studying Plasmodium Falciparum infection

Abstract

There have been several studies which indicate a preferential invasion towards younger
red blood cells (RBCs) for the malarial parasite, P. Falciparum. Knowledge about a preferential mechanism could aid in the development of novel anti-malarial drugs. While the preference in these reports has been studied with density-separation of red blood cells,
separating the cells by deformability may be a more accurate method of isolating groups
of RBCs with differing age. This thesis has investigated the details of separating RBCs
by deformability in the microuidic technique Deterministic Lateral Displacement (DLD).
RBCs have been observed to undergo strong deformation in the device but the large size
variation of RBCs together with RBC shape transformations inside the shallow channels
have interfered with the separation by deformability. Further studies where higher device
driving pressures with alternative device designs are utilized and the deformability of the
separated cells are benchmarked towards existing techniques are proposed.

Furthermore, on-chip invasion of trapped RBCs has been investigated using hydrodynamic
trapping arrays. The trapping arrays allow for convenient and highly-controllable
investigation of the invasion dynamics. The trapping arrays have been fabricated using
replica molding and been used to successfully immobilize RBCs. Trap occupancy rates
up to 85% over the span of 14 min have been achieved. On-chip parasitic behavior has
been investigated. It involved several complications including the prevention of late-stage
parasite rupture due to shape transformation of RBCs into echinocytic (crenated cells)
when introduced into shallow PDMS (polydimethylsiloxane) channels. This complication
seem to affect the rupturing of late-stage infected RBCs inside the channels. Alternative
materials and surface-coating should be explored to minimize any channel-derived
artefacts.

Popular Abstract (Swedish)

Mikrofluidisk separation och en-cell fångst av röda blodkroppar
Populärvetenskaplig Sammanfattning av Examensuppsats, Oskar Ström

Varje år dör en halv miljon människor av malaria 1. Invasionen in i röda blodkroppar av malariaparasiter efter en malariainfektion är central för sjukdomens utveckling. För att kunna studera invasionen har mikroskopiska fällor utvecklats och använts för att fånga in röda blodkroppar. Separering av blodkroppar baserat på mjukhet har också utforskats.

Båda teknikerna som använts i projektet bygger på att celler och parasiter förs in i mikrokanaler på ett tunnt glas/plast-chip, ett så kallat “Lab-on-a-chip”.
Lab-on-a-chip bygger på att man miniatyriserar funktionerna från ett helt lab till ett litet chip. Sådana chip gör det möjligt att analysera prover och diagnostisera sjukdomar utan att använda sig av kostsamma, komplicerade och stora maskiner som finns i konventionella lab.
Chippen kan tillverkas billigt med hjälp av massproduktion och behöver dessutom en ytterst liten provvolym. En droppe blod kan vara det enda som behövs för att kunna analysera blodsjukdomar.

Det är mycket vi fortfarande inte vet om malaria, där mikroskopiska parasiter förs in i kroppen via myggbett. Det är oklart hur den dödligaste malariaparasiten, Plasmodium falciparum, väljer vilka röda blodkroppar som den ska invadera väl inne i kroppen. Det finns forskning som tyder på att parasiten föredrar att angripa yngre celler. Ökad kunskap om denna process skulle kunna leda till nya behandlingar och läkemedel mot malaria.
Det här projektet har utforskat möjligheterna att dela upp röda blodkroppar i olika åldersgrupper genom att utnyttja det faktum att yngre celler är mjukare än äldre celler 2, 3. Den naturliga storleksvariationen på cellerna har varit ett stort hinder för separation baserad på mjukhet då separeringsmetoden är känslig både för storlek och mjukhet. I framtiden skulle man först kunna separera på storlek för att undvika detta problem.

I projektet har också kanaler med mikrofluidiska fällor designats och använts för att fånga in röda blodkroppar för att senare utsätta dem för malariaparasiter. Fällorna fängslar cellerna endast genom att utnyttja de fysikaliska effekter som uppstår när man pumpar vätska innesluten i mikroskopiska kanaler. Olika former på fällorna har studerats där den bästa varianten fyllde 85% av fällorna efter 14 minuter.
Under projektets gång visade sig att de grunda kanalerna, tillverkade i polymeren PDMS (Polydimetylsiloxan) hindrade parasiterna från att bryta sig ut ur röda blodkroppar som de naturligt gör i kroppen. Denna effekt (kallad “glas-effekten”) förvandlade nämligen blodkropparna till celler med taggiga utskott, likt igelkottar. Genom att hitta alternativa material för mikrokanalerna skulle denna effekt kunna minskas och det skulle kunna vara möjligt att studera parasiterna i mikrokanaler.
I framtiden skulle fällorna även kunna användas till andra ändamål. Bland annat för att studera andra cell-reaktioner (ex. läkemedelsleverans eller partikelgiftighet) under hög kontroll.

Referenser

1 World Health Organization. World malaria report 2015. Technical report, 2015.
2 G Pasvol, DJ Weatherall, and RJM Wilson. The increased susceptibility of young
red cells to invasion by the malarial parasite plasmodium falciparum. British journal
of haematology, 45(2):285295, 1980.
3 Robert Hegner et al. Relative frequency of ring-stage plasmodia in reticulocytes and
mature erythrocytes in man and monkey. American Journal of Hygiene, 27(3):690
718, 1938.

• author: Ström, Oskar
• supervisor: Jonas Tegenfeldt; Stefan Holm
• organization: Department of Physics; Solid State Physics
• course: FYSM60 20162
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Red blood cells, RBCs, Plasmodium falciparum, hydrodynamic trapping, DLD, deterministic lateral displacement, deformability
• language: English
• id: 8901754
• date added to LUP: 2017-01-31 09:43:32
• date last changed: 2017-01-31 09:43:32