JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Traducción Automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingeniería

Microfluïdisch apparaat voor de scheiding van niet-gemetastaseerde (MCF-7) en niet-tumor (MCF-10A) borstkankercellen met behulp van AC-dielectroforese

Published: August 11, 2022
doi:
10.3791/63850
, , ,
1Department of Biomedical Engineering,Foundation University Islamabad, 2College of Medical Technology,The Islamic University Najaf, 3Faculty of Mechanical Engineering,University of Tabriz, 4Department of Engineering Mathematics,University of Bristol, 5School of Life Sciences,University of Warwick

Summary

Borstkankercellen vertonen verschillende diëlektrische eigenschappen in vergelijking met niet-tumor borstepitheelcellen. Er is verondersteld dat, op basis van dit verschil in diëlektrische eigenschappen, de twee populaties kunnen worden gescheiden voor immunotherapiedoeleinden. Om dit te ondersteunen, modelleren we een microfluïdisch apparaat om MCF-7- en MCF-10A-cellen te sorteren.

Abstract

Dielectroforetische apparaten zijn in staat om kankercellen op een labelvrije, kosteneffectieve, robuuste en nauwkeurige manier te detecteren en te manipuleren met behulp van het principe van polarisatie van de kankercellen in het monstervolume door een extern elektrisch veld toe te passen. Dit artikel laat zien hoe een microfluïdisch platform kan worden gebruikt voor continue sortering met hoge doorvoer van niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) en niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) met behulp van hydrodynamische dielectroforese (HDEP) uit het celmengsel. Door een elektrisch veld te genereren tussen twee elektroden die naast elkaar zijn geplaatst met een microngrote opening ertussen in een HDEP-microfluïdische chip, kunnen niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) worden weggeduwd, met negatieve DEP in het hoofdkanaal, terwijl de niet-gemetastaseerde borstkankercellen hun loop onaangetast volgen wanneer ze in celmedium worden gesuspendeerd vanwege de geleidbaarheid hoger dan de membraangeleiding. Om dit concept te demonstreren, werden simulaties uitgevoerd voor verschillende waarden van gemiddelde geleidbaarheid en werd het sorteren van cellen bestudeerd. Er werd een parametrisch onderzoek uitgevoerd en een geschikte geleidbaarheid van het celmengsel bleek 0,4 S/m te zijn. Door de gemiddelde geleidbaarheid vast te houden, werd een adequate AC-frequentie van 0,8 MHz vastgesteld, wat een maximale sorteerefficiëntie oplevert, door de elektrische veldfrequentie te variëren. Met behulp van de gedemonstreerde methode kan na het kiezen van de juiste celmengselsuspensiemediumgeleiding en frequentie van de toegepaste AC maximale sorteerefficiëntie worden bereikt.

Introduction

Een kwaadaardige tumor die zich in en rond het borstweefsel ontwikkelt, is wereldwijd een frequente oorzaak van borstkanker bij vrouwen, waardoor een kritiek gezondheidsprobleemontstaat 1. Borsttumoren vóór metastase kunnen worden behandeld door middel van een operatie als ze in een vroeg stadium worden gedetecteerd, maar als ze worden genegeerd, kunnen ze ernstige gevolgen hebben voor het leven van de patiënt door zich te verspreiden naar hun longen, hersenen en botten. De behandelingen die in latere stadia worden aangeboden, zoals bestraling en op chemicaliën gebaseerde therapieën, hebben ernstige bijwerkingen2. Recente studies hebben gemeld dat een vroege diagnose van borstkanker het sterftecijfer met 60% vermindert 3. Daarom is het noodzakelijk om te werken aan gepersonaliseerde vroege detectiemethoden. Hiertoe hebben onderzoekers die werkzaam zijn op verschillende gebieden van wetenschap en technologie microfluïdica gebruikt om apparaten te ontwikkelen voor de vroege diagnose van borstkanker4. Deze methoden omvatten celaffiniteitsmicrochromatografie, magnetisch geactiveerde microcelsorteerders, op grootte gebaseerde opvang en scheiding van kankercellen en on-chip dielectroforese (DEP)5,6. Deze microfluïdische technieken die in de literatuur worden gerapporteerd, maken nauwkeurige celmanipulatie, real-time monitoring en sortering van goed gedefinieerde monsters mogelijk, die dienen als een tussenstap in veel diagnostische en therapeutische toepassingen5. De integratie van deze sorteermechanismen met microfluïdica biedt flexibele en betrouwbare manipulatie van de doelcellen 7,8,9,10. Een van de belangrijkste voordelen van een dergelijke integratie is de mogelijkheid om te werken met vloeistofmonsters in nano- tot microlitervolumes en ook de elektrische eigenschappen van de monstervloeistof te manipuleren. Door de geleidbaarheid van de suspensievloeistof in microfluïdische apparaten aan te passen, kunnen de biologische cellen worden gesorteerd op basis van hun grootte en verschillen in hun diëlektrische eigenschappen11,12.

Onder deze technieken heeft on-chip DEP vaak de voorkeur, omdat het een labelvrije celsorteertechniek is die de elektrische eigenschappen van de biologische monsters benut. Van DEP is gemeld dat het biomonsters manipuleert zoals DNA13, RNA14, eiwitten15, bacteriën16, bloedcellen17, circulerende tumorcellen (CTC’s)18 en stamcellen19. Microfluïdische apparaten die DEP gebruiken voor het sorteren van biologische monsters zijn uitgebreid gerapporteerd in literatuur20. Reservoir-gebaseerde DEP microfluïdische (rDEP) apparaten voor het sorteren van levensvatbare en niet-levensvatbare gistcellen zijn gemeld die de cellen beschermen tegen de nadelige effecten van elektrochemische reacties21,22. Piacentini et al. rapporteerden een gebogen microfluïdische celsorteerder die rode bloedcellen scheidde van bloedplaatjes met een efficiëntie van 97%23. On-chip DEP-apparaten met asymmetrische openingen en ingebedde elektroden zijn ook gemeld om levensvatbare en niet-levensvatbare cellen te sorteren24. Valero en Demierre et al. wijzigden de gebogen microfluïdische celsorteerder door twee arrays van micro-elektroden aan beide zijden van het kanaal25,26 te introduceren. Dit hielp bij het focussen van de cellen in het midden van het kanaal. Zeynep et al. presenteerden een op DEP gebaseerd microfluïdisch apparaat om MCF7-borstkankercellen te scheiden en te concentreren van leukocyten27. Ze rapporteerden een efficiëntie van het extraheren van MCF7-cellen uit leukocyten tussen 74% -98% met een frequentie van 1 MHz en een toegepaste spanning variërend van 10-12 Vpp. Aanvullende tabel 1 vertegenwoordigt een kwalitatieve en kwantitatieve vergelijking tussen de op DEP gebaseerde microfluïdische sorteerapparaten op basis van hun ontwerp, elektrodeconfiguratie en bedrijfsparameters (toegepaste frequentie en spanning).

Meer recent hebben onderzoekers geprobeerd de verschillen in het diëlektrische gedrag van borstepitheelcellen (MCF-10A) en niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) in een microfluïdische chip28,29 te meten. Jithin et al. karakteriseerden ook de diëlektrische reacties van verschillende kankercellijnen met behulp van een open coaxiale sondetechniek met frequenties tussen 200 MHz en 13,6 GHz30. Deze verschillen in de diëlektrische responsen van MCF-7 en MCF-10A cellijnen kunnen worden gebruikt om ze in runtime te scheiden en kunnen leiden tot de ontwikkeling van gepersonaliseerde diagnoseapparaten in een vroeg stadium.

In dit artikel simuleren we de gecontroleerde sortering van niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) en niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) met behulp van AC-dielectroforese. Het gebied van verandering in het elektrische veld beïnvloedt de sortering in de microfluïdische chip. De voorgestelde techniek is eenvoudig te implementeren en maakt de integratie van de sorteertechniek in verschillende microfluïdische chiplay-outs mogelijk. Computational fluid dynamics (CFD) simulaties werden uitgevoerd om de scheiding van niet-gemetastaseerde borstkankercellen en niet-tumor borstepitheelcellen te bestuderen door de geleidbaarheid van het vloeibare medium waarin cellen werden gesuspendeerd te variëren. In deze simulaties wordt aangetoond dat, door de geleidbaarheid constant te houden en door de toegepaste frequentie te veranderen, de scheiding van kankercellen en gezonde cellen kan worden gecontroleerd.

Protocol

OPMERKING: Het protocol hier maakt gebruik van COMSOL, een multifysische simulatiesoftware, om de gecontroleerde sortering van niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) en niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) te simuleren met behulp van AC-dielectroforese. 1. Chipontwerp en parameterselectie Open multiphysics software en selecteer Blank Model. Klik met de rechtermuisknop op de globale definities en selecteer Paramete…

Representative Results

Onderzoek naar de optimale operationele parameters voor effectieve DEP-gebaseerde sortering van niet-gemetastaseerde borstkanker (MCF-7) en niet-tumor borstepitheel (MCF-10A) cellenOm een succesvolle scheiding van niet-gemetastaseerde borstkanker (MCF-7) en niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) met divergente diëlektrische eigenschappen te bereiken bij het ondergaan van dielectroforese, moeten hun K-factoren worden onderscheiden door de toegepaste frequentie vastte houden 37,38<…

Discussion

Microfluïdische apparaten zijn eerder gemeld voor celkweek, vangen en sorteren 47,52,53. De fabricage van deze apparaten in de cleanroom is een duur proces en het is noodzakelijk om de output en efficiëntie van een voorgesteld microfluïdisch apparaat te kwantificeren door middel van CFD-simulaties. Deze studie presenteert het ontwerp en de simulaties van een AC-dielectroforetisch microfluïdisch apparaat voor de continue sche…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Deze studie werd ondersteund door de Higher Education Commission van Pakistan.

Materials

COMSOL COMSOL multiphysics simulation software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

  1. Liang, L., et al. Microfluidic-based cancer cell separation using active and passive mechanisms. Microfluidics and Nanofluidics. 24 (4), 26 (2020).
  2. Damiati, S., Kompella, U. B., Damiati, S. A., Kodzius, R. Microfluidic devices for drug delivery systems and drug screening. Genes. 9 (2), 103 (2018).
  3. Pashayan, N., et al. Personalized early detection and prevention of breast cancer: ENVISION consensus statement. Nature Reviews Clinical Oncology. 17 (11), 687-705 (2020).
  4. Panesar, S., Neethirajan, S. Microfluidics: Rapid diagnosis for breast cancer. Nano-micro Letters. 8 (3), 204-220 (2016).
  5. Chen, J., Li, J., Sun, Y. Microfluidic approaches for cancer cell detection, characterization and separation. Lab on a Chip. 12 (10), 1753-1767 (2012).
  6. Beech, J. P., Holm, S. H., Adolfsson, K., Tegenfeldt, J. O. Sorting cells by size, shape and deformability. Lab on a Chip. 12 (6), 1048-1051 (2012).
  7. Kang, Y., Li, D. Electrokinetic motion of particles and cells in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (4), 431-460 (2009).
  8. Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab on a Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
  9. Yu, B. Y., Elbuken, C., Shen, C., Huissoon, J. P., Ren, C. L. An integrated microfluidic device for the sorting of yeast cells using image processing. Scientific Reports. 8, 3550 (2014).
  10. Asiaei, S., Darvishi, V., Davari, M. H., Zohrevandi, D., Moghadasi, H. Thermophoretic isolation of circulating tumor cells, numerical simulation and design of a microfluidic chip. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 137 (3), 831-839 (2019).
  11. Song, Y., Li, M., Pan, X., Wang, Q., Li, D. Size-based cell sorting with a resistive pulse sensor and an electromagnetic pump in a microfluidic chip. Electrophoresis. 36 (3), 398-404 (2014).
  12. Giraud, G., et al. Dielectrophoretic manipulation of ribosomal RNA. Biomicrofluidics. 5 (2), 024116 (2011).
  13. Valero, A., Braschler, T., Demierre, N., Renaud, P. A miniaturized continuous dielectrophoretic cell sorter and its applications. Biomicrofluidics. 4 (2), 022807 (2010).
  14. Allahrabbi, N., Chia, Y. S. M., Saifullah, M. S. M., Lim, K. M., Lanry Yung, L. Y. A hybrid dielectrophoretic system for trapping of microorganisms from water. Biomicrofluidics. 9 (3), 034110 (2015).
  15. Vykoukal, D. M., Gascoyne, P. R. C., Vykoukal, J. Dielectric characterization of complete mononuclear and polymorphonuclear blood cell subpopulations for label-free discrimination. Integrative Biology: Quantitative Biosciences from Nano to Macro. 1 (7), 477-484 (2009).
  16. Shim, S., et al. Antibody-independent isolation of circulating tumor cells by continuous-flow dielectrophoresis. Biomicrofluidics. 7 (1), 11807 (2013).
  17. Jeon, H. J., Lee, H., Yoon, D. S., Kim, B. M. Dielectrophoretic force measurement of red blood cells exposed to oxidative stress using optical tweezers and a microfluidic chip. Biomedical Engineering Letters. 7 (4), 317-323 (2017).
  18. Song, H., et al. Continuous-flow sorting of stem cells and differentiation products based on dielectrophoresis. Lab on a Chip. 15 (5), 1320-1328 (2015).
  19. Tsai, S. L., Chiang, Y., Wang, M. H., Chen, M. K., Jang, L. S. Battery-powered portable instrument system for single-cell trapping, impedance measurements, and modeling analyses. Electrophoresis. 35 (16), 2392-2400 (2014).
  20. Chan, J. Y., et al. Dielectrophoresis-based microfluidic platforms for cancer diagnostics. Biomicrofluidics. 12 (1), 011503 (2018).
  21. Patel, S., et al. Microfluidic separation of live and dead yeast cells using reservoir-based dielectrophoresis. Biomicrofluidics. 6 (3), 34102 (2012).
  22. Yildizhan, Y., Erdem, N., Islam, M., Martinez-Duarte, R., Elitas, M. Dielectrophoretic separation of live and dead monocytes using 3D carbon-electrodes. Sensors. 17 (11), 2691-2704 (2017).
  23. Piacentini, N., Mernier, G., Tornay, R., Renaud, P. Separation of platelets from other blood cells in continuous-flow by dielectrophoresis field-flow-fractionation. Biomicrofluidics. 5 (3), 34122 (2011).
  24. Zhao, K., Duncker, B. P., Li, D. Continuous cell characterization and separation by microfluidic alternating current dielectrophoresis. Analytical Chemistry. 91 (9), 6304-6314 (2019).
  25. Valero, A., et al. Tracking and synchronization of the yeast cell cycle using dielectrophoretic opacity. Lab on a Chip. 11 (10), 1754-1760 (2011).
  26. Demierre, N., Braschler, T., Muller, R., Renaud, P. Focusing and continuous separation Of cells in a microfluidic device using lateral dielectrophoresis. International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. 430 (98), 1777-1780 (2007).
  27. Arslan, Z. C., Yalçın, Y. D., Külah, H. Label-free enrichment of MCF7 breast cancer cells from leukocytes using continuous flow dielectrophoresis. Electrophoresis. 43 (13-14), 1531-1544 (2022).
  28. Turcan, I., Olariu, M. A. Dielectrophoretic manipulation of cancer cells and their electrical characterization. ACS Combinatorial Science. 22 (11), 554-578 (2020).
  29. Park, J., et al. Sequential cell-processing system by integrating hydrodynamic purification and dielectrophoretic trapping for analyses of suspended cancer cells. Micromachines. 11 (1), 47 (2020).
  30. Hussein, M., et al. Breast cancer cells exhibits specific dielectric signature in vitro using the open-ended coaxial probe technique from 200 MHz to 13.6 GHz. Scientific Reports. 9, 4681 (2019).
  31. Fornes-Leal, A., Garcia-Pardo, C., Frasson, M., Pons Beltrán, V., Cardona, N. Dielectric characterization of healthy and malignant colon tissues in the 0.5-18 GHz frequency band. Physics in Medicine and Biology. 61 (20), 7334-7346 (2016).
  32. Çetin, B., Li, D. Dielectrophoresis in microfluidics technology. Electrophoresis. 32 (18), 2410-2427 (2011).
  33. Khan, S., Khulief, Y. A., Al-Shuhail, A. A. Effects of reservoir size and boundary conditions on pore-pressure buildup and fault reactivation during CO2 injection in deep geological reservoirs. Environmental Earth Sciences. 79, 294 (2020).
  34. Adams, T. N. G., Turner, P. A., Janorkar, A. V., Zhao, F., Minerick, A. R. Characterizing the dielectric properties of human mesenchymal stem cellsand the effects of charged elastin-like polypeptide copolymer treatment. Biomicrofluidics. 8 (5), 054109 (2014).
  35. Lo, Y. J., et al. Measurement of the Clausius-Mossotti factor of generalized dielectrophoresis. Applied Physics Letters. 104, 083701 (2014).
  36. Lo, Y. J., Lei, U. Measurement of the real part of the Clausius-Mossotti factor of dielectrophoresis for Brownian particles. Electrophoresis. 41 (1), 137-147 (2020).
  37. Ohta, A. T., et al. Optically controlled cell discrimination and trapping using optoelectronic Tweezers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13 (2), 235-242 (2007).
  38. Sun, T., Morgan, H. Single-cell microfluidic Impedance cytometry. Microfluidics and Nanofluidics. 8 (4), 423-443 (2010).
  39. Weng, P. Y., et al. Size-dependent dielectrophoretic cross-over frequency of spherical particles. Biomicrofluidics. 10 (1), 1909-1921 (2016).
  40. Lu, Y. W., Sun, C., Kao, Y. C., Hung, C. L., Juang, J. Y. Dielectrophoretic cross-over frequency of single particles: Quantifying the effect of surface functional groups and electrohydrodynamic flow drag force. Nanomaterials. 10 (7), 1364 (2020).
  41. Henslee, E. A., Sano, M. B., Rojas, A. D., Schmelz, E. M., Davalos, R. V. Selective concentration of human cancer cells using contactless dielectrophoresis. Electrophoresis. 32 (18), 2523-2529 (2011).
  42. Chan, J. Y., et al. Dielectrophoresis-based microfluidic platforms for cancer diagnostics. Biomicrofluidics. 12 (1), 11503-11525 (2018).
  43. Gascoyne, P. R. C., Shim, S. Isolation of circulating tumor cells by dielectrophoresis. Cancers. 6 (1), 545-579 (2014).
  44. Liang, W., et al. Determination of dielectric properties of cells using ac electrokinetic-based microfluidic platform. Micromachines. 11 (5), 513-537 (2020).
  45. Frusawa, H., et al. Frequency-modulated wave dielectrophoresis of vesicles and cells periodic U-turns at the crossover frequency. Nanoscale Research Letters. 13 (169), 2583-2589 (2018).
  46. Wei, M. T., Junio, J., Ou-Yang, D. H. Direct measurements of the frequency-dependent dielectrophoresis force. Biomicrofluidics. 3 (1), 12003 (2009).
  47. Mustafa, A., Pedone, E., Marucci, L., Moschou, D., Lorenzo, M. D. A flow-through microfluidic chip for continuous dielectrophoretic separation of viable and non-viable human T-cells. Electrophoresis. 43 (3), 501-508 (2021).
  48. Wang, L., et al. Dual frequency dielectrophoresis with interdigitated sidewall electrodes for microfluidic flow-through separation of beads and cells. Electrophoresis. 30 (5), 782-791 (2021).
  49. Alazzam, A., Mathew, B., Alhammadi, F. Novel microfluidic device for the continuous separation of cancer cells using dielectrophoresis. Journal of Separation Science. 40 (5), 1193-1200 (2017).
  50. Yang, L., Banada, P. P., Bhunia, A. K., Bashir, R. Effects of dielectrophoresis on growth viability and immuno-reactivity of listeria monocytogenes. Journal of Biological Engineering. 2, 6 (2008).
  51. Matbaechi, H., Soltani, P., Hölzel, R., Wenger, C. Dielectrophoretic immobilization of yeast cells using CMOS integrated microfluidics. Micromachines. 11 (5), 501-518 (2020).
  52. Mustafa, A., Pedone, E., La Regina, A., Erten, A. A., Marucci, L. Development of a single layer microfluidic device for dynamic stimulation, culture and imaging of mammalian cells. bioRxiv. , (2022).
  53. Mustafa, A., et al. Enhanced dissolution of liquid microdroplets in the extensional creeping flow of a hydrodynamic trap. Langmuir. 32 (37), 9460-9467 (2016).
  54. Chang, H. F., Chou, S. E., Cheng, J. Y. Electric-field-induced neural precursor cell differentiation in microfluidic devices. Journal of Visualized Experiments. (170), e61917 (2021).

Tags

Keywords: Microfluidic DeviceAC DielectrophoresisNon-metastatic Breast Cancer CellsNon-tumor Breast Epithelial CellsCell SeparationDielectric PropertiesMultiphysics SimulationParticle TracingFluid FlowElectric Field
check_url/es/63850?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artículo
ur Rehman, A., Zabibah, R. S., Kharratian, S., Mustafa, A. Microfluidic Device for the Separation of Non-Metastatic (MCF-7) and Non-Tumor (MCF-10A) Breast Cancer Cells Using AC Dielectrophoresis. J. Vis. Exp. (186), e63850, doi:10.3791/63850 (2022).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image