JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingegneria

Metastatik Olmayan (MCF-7) ve Tümörsüz (MCF-10A) Meme Kanseri Hücrelerinin AC Dielektroforez Kullanılarak Ayrılması için Mikroakışkan Cihaz

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

Meme kanseri hücreleri, tümör dışı meme epitel hücrelerine kıyasla farklı dielektrik özellikler gösterir. Dielektrik özelliklerdeki bu farklılığa dayanarak, iki popülasyonun immünoterapi amacıyla ayrılabileceği varsayılmıştır. Bunu desteklemek için, MCF-7 ve MCF-10A hücrelerini sıralamak için mikroakışkan bir cihaz modelliyoruz.

Abstract

Dielektroforetik cihazlar, harici bir elektrik alanı uygulayarak numune hacmindeki kanser hücrelerinin polarizasyonu prensibini kullanarak etiketsiz, uygun maliyetli, sağlam ve doğru bir şekilde kanser hücrelerinin tespitini ve manipülasyonunu yapabilir. Bu makalede, mikroakışkan bir platformun, hücre karışımından hidrodinamik dielektroforez (HDEP) kullanılarak metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) yüksek verimli sürekli sıralanması için nasıl kullanılabileceği gösterilmektedir. Bir HDEP mikroakışkan çipinde aralarında mikron büyüklüğünde bir boşluk ile yan yana yerleştirilmiş iki elektrot arasında bir elektrik alanı oluşturarak, tümör dışı meme epitel hücreleri (MCF-10A), ana kanal içinde negatif DEP sergileyerek, uzaklaştırılabilirken, metastatik olmayan meme kanseri hücreleri, membran iletkenliğinden daha yüksek iletkenliğe sahip olmaları nedeniyle hücre ortamında askıya alındığında etkilenmeden seyrini takip eder. Bu kavramı göstermek için, farklı ortam iletkenlik değerleri için simülasyonlar yapıldı ve hücrelerin sıralanması incelendi. Parametrik bir çalışma yapılmış ve uygun hücre karışımı iletkenliği 0.4 S/m olarak bulunmuştur. Orta iletkenliği sabit tutarak, elektrik alan frekansını değiştirerek maksimum sıralama verimliliği sağlayan 0,8 MHz’lik yeterli bir AC frekansı oluşturuldu. Gösterilen yöntem kullanılarak, uygulanan AC’nin uygun hücre karışımı süspansiyon ortamı iletkenliği ve frekansı seçildikten sonra, maksimum ayıklama verimliliği elde edilebilir.

Introduction

Meme dokusu içinde ve çevresinde gelişen malign bir tümör, dünya çapında kadınlarda meme kanserinin sık görülen bir nedenidir ve kritik bir sağlık sorununa nedenolmaktadır 1. Metastaz öncesi meme tümörleri erken bir aşamada tespit edilirse cerrahi yoluyla tedavi edilebilir, ancak göz ardı edilirse, akciğerlerine, beyinlerine ve kemiklerine yayılarak hastanın yaşamı üzerinde ciddi etkileri olabilir. Radyasyon ve kimyasal bazlı tedaviler gibi daha sonraki aşamalarda sunulan tedavilerin ciddi yan etkileri vardır2. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, meme kanserinin erken teşhisinin mortalite oranını %60 oranında azalttığını bildirmiştir3. Bu nedenle, kişiselleştirilmiş erken teşhis yöntemlerine yönelik çalışmak zorunludur. Bu amaçla, bilim ve teknolojinin farklı alanlarında çalışan araştırmacılar, meme kanserinin erken teşhisi için cihazlar geliştirmek için mikroakışkanlar kullanmışlardır4. Bu yöntemler arasında hücre afinitesi mikro-kromatografisi, manyetik aktive mikro hücre ayıklayıcıları, boyut bazlı kanser hücresi yakalama ve ayırma ve çip üstü dielektroforez (DEP)5,6 bulunur. Literatürde bildirilen bu mikroakışkan teknikler, birçok tanısal ve terapötik uygulamada bir ara adım görevi gören hassas hücre manipülasyonu, gerçek zamanlı izleme ve iyi tanımlanmış örneklerin sıralanmasını sağlar5. Bu ayıklama mekanizmalarının mikroakışkanlarla entegrasyonu, hedef hücrelerin esnek ve güvenilir manipülasyonunu sağlar 7,8,9,10. Böyle bir entegrasyonun ana avantajlarından biri, nanodan mikrolitreye kadar hacimlerde sıvı numunelerle çalışabilme ve ayrıca numune sıvısının elektriksel özelliklerini manipüle edebilme yeteneğidir. Mikroakışkan cihazların içindeki askı sıvısının iletkenliğini ayarlayarak, biyolojik hücreler boyutlarına ve dielektrik özelliklerindeki farklılıklara göre sıralanabilir11,12.

Bu teknikler arasında, çip üstü DEP, biyolojik numunelerin elektriksel özelliklerinden yararlanan etiketsiz bir hücre sıralama tekniği olduğu için sıklıkla tercih edilir. DEP’nin DNA 13, RNA 14, proteinler 15, bakteri16, kan hücreleri17, dolaşımdaki tümör hücreleri (CTC’ler)18 ve kök hücreler 19 gibi biyo-örnekleri manipüle ettiği bildirilmiştir. Biyolojik numunelerin sıralanması için DEP kullanan mikroakışkan cihazlar literatür20’de kapsamlı olarak bildirilmiştir. Canlı ve canlı olmayan maya hücrelerini sıralamak için rezervuar bazlı DEP mikroakışkan (rDEP) cihazlarının, hücreleri elektrokimyasal reaksiyonların olumsuz etkilerinden koruduğu bildirilmiştir21,22. Piacentini ve ark., kırmızı kan hücrelerini trombositlerden% 97 verimlilikle ayıran bir kastellenmiş mikroakışkan hücre sıralayıcısı bildirmiştir 23. Asimetrik deliklere ve gömülü elektrotlara sahip çip üstü DEP cihazlarının da canlı ve canlı olmayan hücreleri sıraladığı bildirilmiştir24. Valero ve Demierre ve ark.,25,26 kanalının her iki tarafına iki mikroelektrot dizisi ekleyerek kastellenmiş mikroakışkan hücre sıralayıcısını değiştirdi. Bu, kanalın merkezindeki hücrelerin odaklanmasına yardımcı oldu. Zeynep ve ark., MCF7 meme kanseri hücrelerini lökositlerden ayırmak ve konsantre etmek için DEP tabanlı bir mikroakışkan cihaz sunmuşlardır27. MCF7 hücrelerini lökositlerden% 74-98 arasında, 1 MHz frekansında ve 10-12 Vpp arasında değişen bir voltajla ekstrakte etme verimliliğini bildirdiler. Ek Tablo 1, DEP tabanlı mikroakışkan ayıklama cihazları arasında tasarımlarına, elektrot konfigürasyonlarına ve çalışma parametrelerine (uygulanan frekans ve voltaj) göre nitel ve nicel bir karşılaştırmayı temsil etmektedir.

Daha yakın zamanlarda, araştırmacılar mikroakışkan bir çip28,29 içindeki meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) ve metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) dielektrik davranışlarındaki farklılıkları ölçmeye çalışmışlardır. Jithin ve ark. ayrıca, 200 MHz ile 13.6 GHz30 arasındaki frekanslara sahip açık uçlu bir koaksiyel prob tekniği kullanarak farklı kanser hücre hatlarının dielektrik yanıtlarını karakterize etmişlerdir. MCF-7 ve MCF-10A hücre hatlarının dielektrik yanıtlarındaki bu farklılıklar, bunları çalışma zamanında ayırmak için kullanılabilir ve kişiselleştirilmiş erken evre tanı cihazlarının geliştirilmesine yol açabilir.

Bu makalede, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) AC dielektroforezi kullanılarak kontrollü olarak sıralanmasını simüle ediyoruz. Elektrik alanındaki değişim bölgesi, mikroakışkan çipin içindeki sıralamayı etkiler. Önerilen tekniğin uygulanması kolaydır ve sıralama tekniğinin çeşitli mikroakışkan çip düzenlerine entegre edilmesine izin verir. Metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin ayrılmasını, hücrelerin askıya alındığı sıvı ortamın iletkenliğini değiştirerek incelemek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda, iletkenliği sabit tutarak ve uygulanan frekansı değiştirerek, kanser hücreleri ile sağlıklı hücrelerin ayrılmasının kontrol edilebileceği gösterilmiştir.

Protocol

NOT: Buradaki protokol, AC dielektroforezi kullanarak metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) kontrollü sıralamasını simüle etmek için bir multifizik simülasyon yazılımı olan COMSOL’u kullanır. 1. Talaş tasarımı ve parametre seçimi Multifizik yazılımını açın ve Boş Model’i seçin. Genel Tanımlar’a sağ tıklayın ve Parametreler’i</str…

Representative Results

Metastatik olmayan meme kanseri (MCF-7) ve tümör dışı meme epitelyal (MCF-10A) hücrelerinin DEP tabanlı etkili bir şekilde sıralanması için optimal operasyonel parametrelerin araştırılmasıDielektroforez sırasında metastatik olmayan meme kanseri (MCF-7) ve tümör dışı meme epitelyal (MCF-10A) hücrelerinin dielektroforez sırasında farklı dielektrik özelliklere sahip başarılı bir şekilde ayrılmasını sağlamak için, uygulanan frekans37,38</su…

Discussion

Mikroakışkan cihazlar daha önce hücre kültürü, yakalama ve sıralama 47,52,53 için bildirilmiştir. Bu cihazların temiz odada üretilmesi pahalı bir işlemdir ve CFD simülasyonları yoluyla önerilen bir mikroakışkan cihazın çıktısını ve verimliliğini ölçmek zorunludur. Bu çalışma, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) dielektrik öze…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma Pakistan Yüksek Öğretim Komisyonu tarafından desteklenmiştir.

Materials

COMSOL COMSOL multiphysics simulation software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  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

Microfluidic DeviceAC DielectrophoresisNon-metastatic Breast Cancer CellsNon-tumor Breast Epithelial CellsCell SeparationDielectric PropertiesMultiphysics SimulationParticle TracingFluid FlowElectric Field

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image