Dispositivo microfluídico para a separação de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e não tumoral (MCF-10A) usando dieletroforese AC

Summary

As células do câncer de mama exibem diferentes propriedades dielétricas em comparação com as células epiteliais da mama não tumorais. Foi levantada a hipótese de que, com base nessa diferença nas propriedades dielétricas, as duas populações podem ser separadas para fins de imunoterapia. Para suportar isso, modelamos um dispositivo microfluídico para classificar as células MCF-7 e MCF-10A.

Abstract

Os dispositivos dieletroforéticos são capazes de detectar e manipular células cancerígenas de maneira livre de rótulos, econômica, robusta e precisa, usando o princípio da polarização das células cancerígenas no volume da amostra aplicando um campo elétrico externo. Este artigo demonstra como uma plataforma microfluídica pode ser utilizada para a classificação contínua de alto rendimento de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e células epiteliais de mama não tumorais (MCF-10A) usando dieletroforese hidrodinâmica (HDEP) da mistura celular. Ao gerar um campo elétrico entre dois eletrodos colocados lado a lado com uma lacuna do tamanho de um mícron entre eles em um chip microfluídico HDEP, as células epiteliais mamárias não tumorais (MCF-10A) podem ser afastadas, exibindo DEP negativo dentro do canal principal, enquanto as células de câncer de mama não metastáticas seguem seu curso não afetadas quando suspensas em meio celular devido a terem condutividade maior que a condutividade da membrana. Para demonstrar esse conceito, foram realizadas simulações para diferentes valores de condutividade média, e a classificação das células foi estudada. Um estudo paramétrico foi realizado, e uma condutividade de mistura celular adequada foi encontrada para ser de 0,4 S / m. Mantendo a condutividade média fixa, estabeleceu-se uma frequência CA adequada de 0,8 MHz, dando máxima eficiência de classificação, variando a frequência do campo elétrico. Usando o método demonstrado, depois de escolher a condutividade do meio de suspensão de mistura celular apropriada e a frequência da CA aplicada, a máxima eficiência de classificação pode ser alcançada.

Introduction

Um tumor maligno que se desenvolve dentro e ao redor do tecido mamário é uma causa frequente de câncer de mama em mulheres em todo o mundo, causando um problema crítico de saúde¹. Os tumores de mama antes da metástase podem ser tratados através de cirurgia se detectados em um estágio inicial, mas se ignorados, eles podem ter implicações graves na vida do paciente, espalhando-se para seus pulmões, cérebro e ossos. Os tratamentos oferecidos em estágios posteriores, como radiação e terapias químicas, apresentam efeitos colaterais graves². Estudos recentes têm relatado que o diagnóstico precoce do câncer de mama reduz a taxa de mortalidade em 60%³. Por isso, é imperativo trabalhar em direção a métodos personalizados de detecção precoce. Para tanto, pesquisadores que atuam em diferentes áreas da ciência e da tecnologia têm utilizado a microfluídica para desenvolver dispositivos para o diagnóstico precoce do câncer de mama⁴. Esses métodos incluem microcromatografia de afinidade celular, classificadores de microcélulas ativadas por magnetismo, captura e separação de células cancerígenas baseadas em tamanho e dieletroforese no chip (DEP)^5,6. Essas técnicas microfluídicas relatadas na literatura permitem a manipulação celular precisa, o monitoramento em tempo real e a triagem de amostras bem definidas, que servem como etapa intermediária em muitas aplicações diagnósticas e terapêuticas⁵. A integração desses mecanismos de classificação com a microfluídica oferece manipulação flexível e confiável das células-alvo 7,8,9,10. Uma das principais vantagens de tal integração é a capacidade de trabalhar com amostras de fluido em volumes nano a microlitros e também ser capaz de manipular as propriedades elétricas do fluido da amostra. Ajustando a condutividade do fluido suspenso no interior de dispositivos microfluídicos, as células biológicas podem ser classificadas com base em seus tamanhos e diferenças em suas propriedades dielétricas^11,12.

Entre essas técnicas, o DEP no chip é frequentemente preferido, pois é uma técnica de classificação de células sem rótulo que explora as propriedades elétricas das amostras biológicas. Foi relatado que o DEP manipula bioamostras como DNA¹³, RNA¹⁴, proteínas 15, bactérias¹⁶, células sanguíneas 17, células tumorais circulantes (CTCs)18 e células-tronco ¹⁹. Dispositivos microfluídicos que empregam DEP para triagem de amostras biológicas têm sido amplamente relatados na literatura²⁰. Dispositivos microfluídicos DEP (rDEP) baseados em reservatórios para triagem de células de levedura viáveis e não viáveis têm sido relatados que protegem as células dos efeitos adversos de reações eletroquímicas^21,22. Piacentini e col. relataram um classificador de células microfluídicas casteladas que separou os glóbulos vermelhos das plaquetas com uma eficiência de 97%²³. Dispositivos DEP no chip com orifícios assimétricos e eletrodos embutidos também foram relatados para classificar células viáveis e não viáveis²⁴. Valero e Demierre et al. modificaram o classificador de células microfluídicas casteladas introduzindo duas matrizes de microeletrodos em ambos os lados do canal^25,26. Isso ajudou a focar as células no centro do canal. Zeynep e col. apresentaram um dispositivo microfluídico baseado em DEP para separar e concentrar células de câncer de mama MCF7 de leucócitos²⁷. Eles relataram uma eficiência de extração de células MCF7 de leucócitos entre 74%-98% com uma frequência de 1 MHz e uma tensão aplicada variando de 10-12 V_pp. A Tabela 1 Suplementar representa uma comparação qualitativa e quantitativa entre os dispositivos de classificação microfluídica baseados em DEP com base em seu projeto, configuração de eletrodos e parâmetros operacionais (frequência e tensão aplicadas).

Mais recentemente, pesquisadores têm tentado medir as diferenças no comportamento dielétrico de células epiteliais mamárias (MCF-10A) e células de câncer de mama não metastático (MCF-7) dentro de um chip microfluídico^28,29. Jithin et al. também caracterizaram as respostas dielétricas de diferentes linhagens celulares de câncer usando uma técnica de sonda coaxial aberta com frequências entre 200 MHz e 13,6 GHz³⁰. Essas diferenças nas respostas dielétricas das linhagens celulares MCF-7 e MCF-10A podem ser exploradas para separá-las em tempo de execução e podem levar ao desenvolvimento de dispositivos personalizados de diagnóstico em estágio inicial.

Neste artigo, simulamos a classificação controlada de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e células epiteliais de mama não tumorais (MCF-10A) usando dieletroforese AC. A região de mudança no campo elétrico influencia a classificação dentro do chip microfluídico. A técnica proposta é fácil de implementar e permite a integração da técnica de classificação em vários layouts de chips microfluídicos. Simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD) foram realizadas para estudar a separação de células de câncer de mama não metastáticas e células epiteliais de mama não tumorais, variando a condutividade do meio fluido em que as células estavam suspensas. Nessas simulações, mostra-se que, mantendo a condutividade constante e alterando a frequência aplicada, a separação de células cancerígenas e células saudáveis pode ser controlada.

Protocol

NOTA: O protocolo aqui utilizado utiliza o COMSOL, um software de simulação multifísica, para simular a classificação controlada de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e células epiteliais mamárias não tumorais (MCF-10A) usando dieletroforese AC. 1. Projeto do chip e seleção de parâmetros Abra o software multifísico e selecione Modelo em branco. Clique com o botão direito do mouse nas Definições Globais</stron…

Representative Results

Investigando os parâmetros operacionais ideais para a classificação eficaz baseada em DEP de células epiteliais não metastáticas de câncer de mama (MCF-7) e epiteliais de mama não tumorais (MCF-10A)Para alcançar uma separação bem-sucedida de células do câncer de mama não metastático (MCF-7) e epitelial de mama não tumoral (MCF-10A) com propriedades dielétricas divergentes quando submetidas à dieletroforese, seus fatores K devem ser distintos, mantendo a frequência aplicada fixa<sup…

Discussion

Dispositivos microfluídicos foram relatados anteriormente para cultura celular, aprisionamento e classificação 47,52,53. A fabricação desses dispositivos na sala limpa é um processo caro, e é imperativo quantificar a saída e a eficiência de um dispositivo microfluídico proposto por meio de simulações de CFD. Este estudo apresenta o desenho e as simulações de um dispositivo microfluídico dieletroforético AC para a…

Materials

COMSOL

COMSOL

multiphysics simulation software