Dispositif microfluidique pour la séparation de cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) et non tumorales (MCF-10A) par diélectrophorèse AC

Summary

Les cellules cancéreuses du sein présentent des propriétés diélectriques différentes de celles des cellules épithéliales mammaires non tumorales. On a émis l’hypothèse que, sur la base de cette différence de propriétés diélectriques, les deux populations peuvent être séparées à des fins d’immunothérapie. Pour ce faire, nous modélisons un dispositif microfluidique pour trier les cellules MCF-7 et MCF-10A.

Abstract

Les dispositifs diélectrophorétiques sont capables de détecter et de manipuler des cellules cancéreuses d’une manière non étiquetée, rentable, robuste et précise en utilisant le principe de la polarisation des cellules cancéreuses dans le volume de l’échantillon en appliquant un champ électrique externe. Cet article démontre comment une plateforme microfluidique peut être utilisée pour le tri continu à haut débit des cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) et des cellules épithéliales mammaires non tumorales (MCF-10A) à l’aide de la diélectrophorèse hydrodynamique (HDEP) du mélange cellulaire. En générant un champ électrique entre deux électrodes placées côte à côte avec un espace de la taille d’un micron entre elles dans une puce microfluidique HDEP, les cellules épithéliales mammaires non tumorales (MCF-10A) peuvent être repoussées, présentant une DEP négative à l’intérieur du canal principal, tandis que les cellules cancéreuses du sein non métastatiques suivent leur cours sans être affectées lorsqu’elles sont suspendues dans le milieu cellulaire en raison de leur conductivité supérieure à la conductivité membranaire. Pour démontrer ce concept, des simulations ont été effectuées pour différentes valeurs de conductivité du milieu, et le tri des cellules a été étudié. Une étude paramétrique a été réalisée et une conductivité appropriée du mélange cellulaire s’est avérée être de 0,4 S/m. En maintenant la conductivité du milieu fixe, une fréquence AC adéquate de 0,8 MHz a été établie, donnant une efficacité de tri maximale, en faisant varier la fréquence du champ électrique. En utilisant la méthode démontrée, après avoir choisi la conductivité appropriée du milieu de suspension du mélange cellulaire et la fréquence du courant alternatif appliqué, une efficacité de tri maximale peut être atteinte.

Introduction

Une tumeur maligne qui se développe dans et autour du tissu mammaire est une cause fréquente de cancer du sein chez les femmes du monde entier, causant un problème de santé critique¹. Les tumeurs du sein avant les métastases peuvent être traitées par chirurgie si elles sont détectées à un stade précoce, mais si elles sont ignorées, elles peuvent avoir de graves implications sur la vie du patient en se propageant à leurs poumons, à leur cerveau et à leurs os. Les traitements proposés à des stades ultérieurs, tels que la radiothérapie et les thérapies chimiques, ont des effets secondaires graves². Des études récentes ont rapporté qu’un diagnostic précoce de cancer du sein réduit le taux de mortalité de 60 %³. Par conséquent, il est impératif de travailler à des méthodes de détection précoce personnalisées. À cette fin, des chercheurs travaillant dans différents domaines de la science et de la technologie ont utilisé la microfluidique pour développer des dispositifs de diagnostic précoce du cancer du sein⁴. Ces méthodes comprennent la microchromatographie d’affinité cellulaire, les trieurs de microcellules activés magnétiquement, la capture et la séparation des cellules cancéreuses basées sur la taille et la diélectrophorèse sur puce (DEP)^5,6. Ces techniques microfluidiques rapportées dans la littérature permettent une manipulation cellulaire précise, un suivi en temps réel et le tri d’échantillons bien définis, qui servent d’étape intermédiaire dans de nombreuses applications diagnostiques et thérapeutiques⁵. L’intégration de ces mécanismes de tri avec la microfluidique offre une manipulation flexible et fiable des cellules cibles 7,8,9,10. L’un des principaux avantages d’une telle intégration est la possibilité de travailler avec des échantillons de fluide dans des volumes nano à microlitres et de pouvoir manipuler les propriétés électriques du fluide de l’échantillon. En ajustant la conductivité du fluide en suspension à l’intérieur des dispositifs microfluidiques, les cellules biologiques peuvent être triées en fonction de leurs tailles et des différences de leurs propriétés diélectriques^11,12.

Parmi ces techniques, la DEP sur puce est souvent préférée car il s’agit d’une technique de tri cellulaire sans marquage qui exploite les propriétés électriques des échantillons biologiques. Il a été rapporté que la DEP manipulait des échantillons biologiques tels que l’ADN 13, l’ARN 14, les protéines¹⁵, les bactéries 16, les cellules sanguines 17, les cellules tumorales circulantes (CTC)18 et les cellules souches ¹⁹. Les dispositifs microfluidiques qui utilisent le DEP pour trier les échantillons biologiques ont été largement rapportés dans la littérature²⁰. Des dispositifs microfluidiques DEP (rDEP) à base de réservoir pour le tri des cellules de levure viables et non viables ont été signalés qui protègent les cellules contre les effets néfastes des réactions électrochimiques^21,22. Piacentini et coll. ont signalé un trieur de cellules microfluidiques crénelées qui séparait les globules rouges des plaquettes avec une efficacité de 97 %²³. Des dispositifs DEP sur puce avec orifices asymétriques et électrodes intégrées ont également été signalés pour trier les cellules viables et non viables²⁴. Valero et Demierre et al. ont modifié le trieur de cellules microfluidiques crénelées en introduisant deux réseaux de microélectrodes des deux côtés du canal^25,26. Cela a aidé à concentrer les cellules au centre du canal. Zeynep et al. ont présenté un dispositif microfluidique à base de DEP pour séparer et concentrer les cellules cancéreuses du sein MCF7 des leucocytes²⁷. Ils ont rapporté une efficacité d’extraction des cellules MCF7 des leucocytes entre 74% et 98% avec une fréquence de 1 MHz et une tension appliquée allant de 10 à 12 V_pp. Le tableau supplémentaire 1 présente une comparaison qualitative et quantitative entre les dispositifs de tri microfluidique basés sur DEP en fonction de leur conception, de la configuration des électrodes et des paramètres de fonctionnement (fréquence et tension appliquées).

Plus récemment, des chercheurs ont tenté de mesurer les différences dans le comportement diélectrique des cellules épithéliales du sein (MCF-10A) et des cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) à l’intérieur d’une puce microfluidique^28,29. Jithin et coll. ont également caractérisé les réponses diélectriques de différentes lignées cellulaires cancéreuses à l’aide d’une technique de sonde coaxiale ouverte avec des fréquences comprises entre 200 MHz et 13,6 GHz³⁰. Ces différences dans les réponses diélectriques des lignées cellulaires MCF-7 et MCF-10A peuvent être exploitées pour les séparer en cours d’exécution et peuvent conduire au développement de dispositifs de diagnostic personnalisés à un stade précoce.

Dans cet article, nous simulons le tri contrôlé des cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) et des cellules épithéliales mammaires non tumorales (MCF-10A) à l’aide de la diélectrophorèse AC. La région de changement dans le champ électrique influence le tri à l’intérieur de la puce microfluidique. La technique proposée est facile à mettre en œuvre et permet l’intégration de la technique de tri dans diverses configurations de puces microfluidiques. Des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) ont été réalisées pour étudier la séparation des cellules cancéreuses du sein non métastatiques et des cellules épithéliales mammaires non tumorales en faisant varier la conductivité du milieu fluide dans lequel les cellules étaient suspendues. Dans ces simulations, il est démontré qu’en maintenant la conductivité constante et en modifiant la fréquence appliquée, la séparation des cellules cancéreuses et des cellules saines peut être contrôlée.

Protocol

REMARQUE: Le protocole utilise COMSOL, un logiciel de simulation multiphysique, pour simuler le tri contrôlé des cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) et des cellules épithéliales du sein non tumorales (MCF-10A) à l’aide de la diélectrophorèse AC. 1. Conception de la puce et sélection des paramètres Ouvrez le logiciel multiphysique et sélectionnez Modèle vierge. Cliquez avec le bouton droit sur les définitions…

Representative Results

Étudier les paramètres opérationnels optimaux pour un tri efficace basé sur la DEP des cellules du cancer du sein non métastatique (MCF-7) et de l’épithélium du sein non tumoral (MCF-10A)Pour obtenir une séparation réussie des cellules du cancer du sein non métastatique (MCF-7) et de l’épithélium du sein non tumoral (MCF-10A) ayant des propriétés diélectriques divergentes lors de la diélectrophorèse, leurs facteurs K doivent être distincts en maintenant la fréquence appliquée …

Discussion

Des dispositifs microfluidiques ont déjà été signalés pour la culture cellulaire, le piégeage et le tri 47,52,53. La fabrication de ces dispositifs en salle blanche est un processus coûteux, et il est impératif de quantifier le rendement et l’efficacité d’un dispositif microfluidique proposé grâce à des simulations CFD. Cette étude présente la conception et les simulations d’un dispositif microfluidique AC-di…

Materials

COMSOL

COMSOL

multiphysics simulation software