Precisie flow beheersing biedt uitkomst bij fundamenteel kankeronderzoek

Toepassing van precisie flow controle bij kankeronderzoek met behulp van EL-FLOW thermische massaflow regelaars en mu-FLOW vloeistof massflow meters

Kees Jalink
Cover Image

“Een van de belangrijkste doelen bij fundamenteel kankeronderzoek is het maken van onderscheid tussen normale cellen en kankercellen. De gevonden verschillen kunnen vervolgens worden benut bij het opsporen van kwetsbare punten van kanker: elke eigenschap die uitsluitend bij kankercellen te vinden is, kan een aanwijzing geven over hoe we kankercellen kunnen aanvallen zonder schade toe te brengen aan gezonde cellen.” Aldus prof. dr. Kees Jalink van het Nederlands Kanker Instituut in Amsterdam (NKI).

Prof. dr. Kees Jalink

Prof. dr. Kees Jalink

Prof. dr. Kees Jalink vertelt over het onderzoek waarmee de ‘Biophysics and Advanced Imaging Group’ aan het NKI (Nederlands Kanker Instituut) zich bezighoudt en de rol van flowmeters en -regelaars in dit onderzoek.

Biophysics and Advanced Imaging Group bij het NKI

Het opsporen van deze verschillen tussen normale cellen en kankercellen is een lastige taak gebleken, omdat de meeste kankercellen voor 99,9% gelijk zijn aan gezonde cellen. In de Biophysics and Advanced Imaging Group bekijken we cellen in detail met behulp van geavanceerde microscopietechnieken, waaronder live-cell imaging, fluorescentiemicroscopie en functionele beeldvorming. Het laatste houdt in dat met technieken als Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET), Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) en Fluorescence Correlation Spectroscopy informatie wordt verzameld over eiwitten (biomoleculen) en de interacties ervan in enkelvoudige levende kankercellen.

Afbeeldingsomschrijving

Levende cellen geven veel meer informatie

Tot voor kort was het gebruikelijk dat ten behoeve van microscopie met hoge resolutie de cellen werden gedood, gefixeerd, gekleurd voor specifieke componenten en ingebed in hars. Uit beelden van levende cellen is echter veel meer informatie te halen omdat die:

  • zich kunnen delen
  • migreren
  • samen hechte monolagen vormen, net als levende (kanker)cellen in ons lichaam

Alleen met levende cellen kunnen we inzicht krijgen in de dynamiek van de interne biochemische processen.

Er is een heel scala aan gekleurde fluorescente eiwitten beschikbaar dat ons in staat stelt een enkele eiwitsoort te benoemen en te ontdekken wat we over dat eiwit willen weten. De truc is om die cellen levend en gezond te houden op de microscoop.

Afbeeldingsomschrijving

Cellen gezien door een microscoop

Op de microscoop worden cellen bewaard in een schaaltje met een glazen bodem dat is gevuld met DMEM-medium: een op bloedplasma lijkende zoutoplossing met vitaminen en voedingsstoffen. Vroeger bewaarden we deze gewoon op kamertemperatuur in schaaltjes in de vrije lucht (~20% O2, 80% N2, 0,05% CO2). Hiermee wordt de atmosfeer in ons lichaam echter helemaal niet goed nagebootst. De resultaten waren dan ook niet zoals verwacht.

In de meeste gevallen trad bijvoorbeeld geen celdeling op en de meeste cellen stierven na een tot twee dagen. Ook bleek het vrijwel onmogelijk de zuurgraad in het medium te regelen. Daarom moesten we een speciale incubator inrichten om de cellen en het grootste deel van de microscoop in onder te brengen. In deze incubator moet de lucht worden verwarmd tot 37°C en worden bevochtigd, en moet de atmosfeer, anders dan lucht:

  • ten minste 5% CO2 bevatten
  • een zuurstofgehalte hebben dat in te stellen is tussen ~2% en 20%

Dit dient om de verschillende zuurstofspanningen na te bootsen die in het lichaam voorkomen. Het is bijvoorbeeld bekend dat solide tumoren hypoxisch zijn (slechts enkele procenten O2 bevatten) en dit heeft verregaande gevolgen voor de fysiologie van de cellen en voor de manier waarop ze op medicijnen tegen kanker reageren.

Hoe kan de atmosfeer nauwkeurig worden geregeld?

Bij een beurs maakten we kennis met de massflowmeters en -regelaars van Bronkhorst. Met de hulp van Bronkhorst Nederland hebben we drie thermische massflowregelaars van de EL-FLOW select serie gekozen en deze gekoppeld aan de uitlaten van gecomprimeerde CO2, N2 en lucht in ons laboratorium.

De rest was eenvoudig: door de relatieve gasstromen met de massflowregelaar aan te passen kunnen we nu het niveau van CO2, N2 en O2 instellen op alle relevante waarden. Deze waarden variëren van 2 tot 19 procent voor zuurstof en 0 tot 20 procent voor kooldioxide tot 80 tot 100 procent voor stikstof.

Sindsdien voeren we al onze experimenten uit onder dergelijke gecontroleerde omstandigheden, en dankzij deze incubator zijn de resultaten veel eenduidiger en ook veel relevanter. We hebben de incubator gebruikt om te onderzoeken hoe kankercellen tijdens metastase migreren en hoe ze in lagen andere cellen kunnen doordringen en in deze ‘niche’ kunnen overleven. Ook hebben we ermee in detail onderzocht hoe cellen chemische signalen gebruiken om met elkaar te communiceren, en hoe deze signalen worden ontvangen en vervolgens in de cellen worden verwerkt.

muflow meter van Bronkhorst in experimentele opstelling

µ-FLOW meter van Bronkhorst in experimentele opstelling

De µ-FLOW massflowregelaar voor vloeistof biedt uitkomst

Zoals wel vaker gebeurt in de wetenschap, leidde het oplossen van het ene probleem tot het herkennen van een ander. We merkten dat bij 37° C het medium sneller verdampte, waardoor de cellen na enkele dagen uitdroogden. Dit was te voorkomen door het petrischaaltje goed dicht te maken, maar hierdoor konden we minder goed bij de cellen en werd het onmogelijk om tijdens het experiment groeifactoren, hormonen of geneesmiddelen tegen kanker toe te voegen voor onze onderzoeken.

Dit kon slechts ten dele worden opgelost door de lucht vochtiger te maken, omdat bij hoge luchtvochtigheid condens werd gevormd die schadelijk kon zijn voor de gevoelige elektronica in onze opstelling. Daarom moest de relatieve luchtvochtigheid lager dan 60% blijven. Ook hier boden massflowregelaars een eenvoudige en betrouwbare oplossing. We kozen voor een µ-FLOW massflowregelaar voor vloeistoffen om een zeer stabiele stroom van gede-ioniseerd water te leveren. Door een lokale BRIGHT regelaar met PiPS (Plug-in Power Supply) te gebruiken, konden we de instroming van water instellen tussen 0,5 en 9,6 microliter per minuut.

We hebben empirisch vastgesteld dat wanneer de kraan is ingesteld op 1,3 µl/min, de verdamping volledig wordt gecompenseerd, en tegenwoordig kunnen we de cellen wekenlang op de microscoop in leven houden. Het systeem vergt nauwelijks onderhoud: we hoeven het slechts te installeren en de zaak op z'n beloop te laten, zodat we ons op onze core business kunnen richten. De massflowregelaars betekenden het keerpunt in het construeren van de microscoopincubator, en de cellen gaan ijverig door met delen en groeien.

• Meer informatie over deze toepassing ‘Accurate flow control for cancer research (nauwkeurige stroombeheersing voor kankeronderzoek).

• Bekijk onze instrumenten die we in deze toepassing hebben gebruikt: µ-FLOW massflowregelaar, EL-FLOW Select massflowregelaar en BRIGHT regelaar

• Meer over dit onderzoek is te lezen op de website van het Nederlands Kanker Instituut, NKI.

Het belang van massflowmeting en de relevantie van coriolistechnologie

het belang van massflowmeting en de relevantie van coriolistechnologie

James Walton
Cover Image

Waarom is massflowmeting belangrijk voor de procesindustrie en wat zijn de sterke punten van coriolisflowmeters en -regelaars?

Flowmeting van een vloeistof of gas is bij veel processen gewoonlijk een cruciale parameter. Bij de meeste bewerkingen is het belangrijk om er zeker van te zijn dat de juiste vloeistof op het juiste moment op de juiste plaats is. Bij sommige essentiële toepassingen moeten nauwkeurige flowmetingen kunnen worden uitgevoerd om de productkwaliteit te garanderen. Gezondheid en veiligheid zijn altijd een belangrijke factor bij het werken met vloeistoffen en gassen. Het is dus zeer belangrijk dat u investeert in een veilige en productieve werkomgeving voor uw team. Flow- en drukmeting biedt het proces en de medewerkers deze veiligheid.

Bij de meeste instrumenten voor flowmeting van vloeistoffen en gassen wordt het debiet afgeleid uit de meting van de vloeistofsnelheid of de verandering in kinetische energie. Andere factoren die het vloeistofdebiet beïnvloeden zijn onder andere de viscositeit en dichtheid van de vloeistof en de wrijving van de vloeistof waar deze in contact staat met de pijp. Door de grote verscheidenheid aan beschikbare flowmeter technologie kan het moeilijk zijn om de juiste technologie voor de toepassing te kiezen. Een belangrijke vraag die wellicht over het hoofd gezien wordt, is: wat zou het instrument moeten doen, en wat kan het instrument in werkelijkheid?

mass flow vs volume flow

Directe flowmeting

Directe massflowmeting is een belangrijke industriebrede ontwikkeling, omdat hierdoor de onnauwkeurigheden als gevolg van de fysische eigenschappen van de vloeistof worden uitgebannen, niet in de laatste plaats het verschil tussen massa- en volumedebiet. Massa wordt niet beïnvloed door veranderingen in temperatuur en druk. Alleen al om deze reden is het een belangrijke flowmetingsmethode voor vloeistoffen. Wat nauwkeurigheid betreft blijft volumedebiet bruikbaar, mits aan de voorwaarden van het proces en de kalibratiereferentie wordt voldaan. Volumedebietmeetapparaten, zoals variabele-doorlaatmeters en turbinefloweters, kunnen geen veranderingen in temperatuur of druk onderscheiden.

Een methode van massflowmeten maakt gebruik van het verschijnsel corioliskracht.

Het coriolisprincipe

Dit lang geleden ontdekte principe is overal om ons heen in de fysieke wereld. Een voorbeeld is de draaiing van de aarde en de invloed ervan op het weer. Het werkingsprincipe is eenvoudig maar zeer effectief. Een buis wordt aan het trillen gebracht met een vaste frequentie. Wanneer een vloeistof door deze buis stroomt, veroorzaakt de kracht van de massastroom een verandering in de trilling van de buis. Hierdoor draait de buis, met een faseverschuiving tot gevolg. Deze faseverschuiving kan worden gemeten en er kan een lineaire uitvoer worden afgeleid, die in verhouding staat tot de stroom.

Aangezien dit principe de massastroom meet ongeacht de inhoud van de buis, kan het rechtstreeks worden toegepast op elke stof die door de buis stroomt, of het nu gaat om een vloeistof of een gas. Bovendien kan naast de faseverschuiving in de frequentie tussen invoer en uitvoer, ook de werkelijke verandering in de natuurlijke frequentie worden gemeten. Deze verandering in frequentie is direct evenredig met de dichtheid van de vloeistof. Daarnaast kan er nog een signaaluitvoer worden afgeleid. Interessant is dat het na meting van het massadebiet en de dichtheid mogelijk is om het volumedebiet af te leiden.

De coriolismassflowmeters hebben waardevolle kenmerken vergeleken met andere principes:

  • Ze hoeven niet (opnieuw) gekalibreerd te worden tijdens het gebruik – de flowmeting en -regeling is vloeistofonafhankelijk
  • Gas en vloeistof kunnen met dezelfde sensor gemeten worden
  • Ze kunnen een ongedefinieerd of variabel mengsel meten
  • Meerdere parameters

Het coriolisprincipe, toegepast in een massflowmeter, heeft daarom zijn plaats in de vloeistofmeting en -regeling in de procesindustrie.

Bekijk onze video mini CORI FLOW Principle op ons You tube kanaal voor meer informatie over het coriolisprincipe.