Ανάπτυξη τεχνικών τροποποίησης, χαρακτηρισμού, οδήγησης και καλλιέργειας μαγνητικών κυττάρων

Abstract

The aim of the dissertation is to study the behavior of magnetically modified cells. The research began with the magnetic modification of microalgae. There are a variety of cell modification methods but these are done in a non-continuous way. In the context of the dissertation and research project Horizon 2020 Valuemag (No 745695) it was necessary to produce a large amount of magnetically modified microalgae. Therefore, an electroporation device was designed and developed that allows the magnetic modification of microalgae in a continuous manner. It can therefore be used to introduce molecules, drugs or other biological entities into the cytoplasm of cells where the production of large quantities of modified cells is required. An attempt was then made to separate the magnetic microalgae from the unmodified ones. Existing methodologies concern the separation of either very small amounts of magnetic material from solutions using MEMS, or minerals in mining facilities. In the dissertation, the separation of magnetic cells from solution was studied. From the process of finding a way to separate the microalgae, a device emerged that can separate any magnetic material that is dissolved in powder form in a solution. Again, due to the needs of the dissertation and the Valuemag program, this device was designed to be able to operate continuously, thus allowing the separation of large quantities of molecules, cells and even heavy metals from contaminated water. Having analyzed the separation parameters, a natural continuation was the further control of the magnetic particles. The research focused on the study of driving magnetic material. A device has been developed which can push paramagnetic material producing magnetic fields of complex gradience (magnets can only attract paramagnetic materials). This device solves the basic problem of driving modified cells in the human body as it allows pushing in places where a significantly stronger field would otherwise be required. One step further, a system of 4 electromagnets has been developed which, based on an automatic control system, can drive a ferromagnetic drop (ferrofluid) into a predetermined trajectory. The research then turned to the characterization of paramagnetic material with an innovative, low-cost method of measuring magnetic susceptibility. The device and the algorithm for calculating the susceptibility of magnetic material were developed. The discrepancies resulting from comparative measurements are significant and further research is required to optimize the layout. Finally, three bioreactors were developed to study the culture of magnetic microalgae. The culture method selected in the Valuemag project was the immobilization of the magnetically modified microalgae on the surface of a conical reactor on which a film of water flows. Emphasis was given on the development of the conditions’ control system and the distribution of the fluid on the surface of the reactors as the other parts of the research (which are given but not thoroughly analyzed) were performed by other team members.

Ο στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς μαγνητικά τροποποιημένων κυττάρων. Η έρευνα ξεκίνησε με τη μαγνητική τροποποίηση μικροφυκών. Υπάρχει πληθώρα μεθόδων τροποποίησης κυττάρων αλλά αυτή πραγματοποιείται με μη συνεχή τρόπο. Στο πλαίσιο της διατριβής και του ερευνητικού έργου Horizon 2020 Valuemag (No 745695) ήταν απαραίτητη η παραγωγή μεγάλης ποσότητας μαγνητικά τροποποιημένων μικροφυκών. Με αυτόν το γνώμονα, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια συσκευή ηλεκτροδιάτρησης η οποία επιτρέπει τη μαγνητική τροποποίηση μικροφυκών με συνεχή τρόπο. Κατ’ επέκταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή μορίων, φαρμάκων ή άλλων βιολογικών οντοτήτων μέσα στο κυτταρόπλασμα όπου απαιτείται παραγωγή μεγάλης ποσότητας τροποποιημένων κυττάρων. Στη συνέχεια επιχειρήθηκε ο διαχωρισμός των μαγνητικών μικροφυκών από αυτά που δεν τροποποιήθηκαν. Οι υφιστάμενες μεθοδολογίες αφορούν το διαχωρισμό είτε πολύ μικρών ποσοτήτων μαγνητικού υλικού από διαλύματα με χρήση MEMS, είτε ορυκτών σε μεταλλευτικές εγκαταστάσεις. Στο πλαίσιο της διατριβής μελετήθηκε ο διαχωρισμός μαγνητικών κυττάρων από διάλυμα. Από τη διαδικασία εύρεσης τρόπου διαχωρισμού των μικροφυκών, προέκυψε μια διάταξη η οποία μπορεί να διαχωρίσει οποιοδήποτε μαγνητικό υλικό βρίσκεται διαλυμένο σε μορφή σκόνης σε κάποιο διάλυμα. Η διάταξη αυτή σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να λειτουργεί με συνεχή τρόπο, επιτρέποντας έτσι το διαχωρισμό μεγάλης ποσότητας μορίων, κυττάρων αλλά ακόμα και βαρέων μετάλλων από μολυσμένα ύδατα. Έχοντας αναλύσει τις παραμέτρους διαχωρισμού, φυσική συνέχεια ήταν ο περαιτέρω έλεγχος των μαγνητικών σωματιδίων. Η έρευνα στράφηκε στη μελέτη οδήγησης μαγνητικού υλικού. Αναπτύχθηκε μια διάταξη η οποία μπορεί να ωθεί παραμαγνητικό υλικό παράγοντας μαγνητικά πεδία περίπλοκης βάθμωσης. Αυτή η διάταξη δίνει λύση στο βασικό πρόβλημα οδήγησης τροποποιημένων κυττάρων στο ανθρώπινο σώμα καθώς επιτρέπει την ώθηση σε σημεία όπου εναλλακτικά θα απαιτείτο σημαντικά ισχυρότερο πεδίο. Ένα βήμα παραπέρα, αναπτύχθηκε ένα σύστημα 4 ηλεκτρομαγνητών οι οποίοι βασιζόμενοι σε ένα σύστημα κλειστού βρόγχου μπορούν να οδηγούν μια παραμαγνητική σταγόνα σε προκαθορισμένη από το χρήστη τροχιά. Έπειτα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε στο χαρακτηρισμό παραμαγνητικού υλικού με μία καινοτόμο μέθοδο μέτρησης μαγνητικής επιδεκτικότητας, χαμηλού κόστους. Αναπτύχθηκε η διάταξη όσο και ο αλγόριθμος υπολογισμού της επιδεκτικότητας μαγνητικού υλικού. Τέλος, αναπτύχθηκαν τρεις βιοαντιδραστήρες για τη μελέτη της καλλιέργειας των μαγνητικών μικροφυκών. Η μέθοδος καλλιέργειας που επιλέχτηκε ήταν η ακινητοποίηση των μαγνητικά τροποποιημένων μικροφυκών στην επιφάνεια κωνικού αντιδραστήρα πάνω στην οποία ρέει φιλμ νερού. Έμφαση δόθηκε στην ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου των συνθηκών και στην κατανομή του ρευστού πάνω στην επιφάνεια του αντιδραστήρα καθώς τα υπόλοιπα κομμάτια της έρευνας (τα οποία παρατίθενται αλλά δεν αναλύονται ενδελεχώς) πραγματοποιήθηκαν από άλλα μέλη της ομάδας.