Mikrofluidisk anordning för separation av icke-metastatiska (MCF-7) och icke-tumör (MCF-10A) bröstcancerceller med AC-dielektrofores

Summary

Bröstcancerceller uppvisar olika dielektriska egenskaper jämfört med icke-tumörbröstepitelceller. Det har antagits att de två populationerna, baserat på denna skillnad i dielektriska egenskaper, kan separeras för immunterapiändamål. För att stödja detta modellerar vi en mikrofluidisk enhet för att sortera MCF-7- och MCF-10A-celler.

Abstract

Dielektroforetiska anordningar kan detektera och manipulera cancerceller på ett etikettfritt, kostnadseffektivt, robust och exakt sätt med hjälp av principen om polarisering av cancercellerna i provvolymen genom att applicera ett externt elektriskt fält. Denna artikel visar hur en mikrofluidisk plattform kan användas för kontinuerlig sortering med hög genomströmning av icke-metastatiska bröstcancerceller (MCF-7) och icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A) med hjälp av hydrodynamisk dielektrofores (HDEP) från cellblandningen. Genom att generera ett elektriskt fält mellan två elektroder placerade sida vid sida med ett mikronstort gap mellan dem i ett HDEP-mikrofluidiskt chip, kan icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A) skjutas bort och uppvisa negativ DEP inuti huvudkanalen, medan de icke-metastatiska bröstcancercellerna följer sin kurs opåverkade när de suspenderas i cellmedium på grund av att de har konduktivitet högre än membranledningsförmågan. För att demonstrera detta koncept utfördes simuleringar för olika värden av medelledningsförmåga, och sortering av celler studerades. En parametrisk studie genomfördes och en lämplig cellblandningsledningsförmåga visade sig vara 0,4 S/m. Genom att hålla medelledningsförmågan fixerad fastställdes en adekvat växelströmsfrekvens på 0,8 MHz, vilket gav maximal sorteringseffektivitet genom att variera den elektriska fältfrekvensen. Med hjälp av den demonstrerade metoden, efter val av lämplig cellblandningssuspensionsmediumledningsförmåga och frekvens för den applicerade AC, kan maximal sorteringseffektivitet uppnås.

Introduction

En malign tumör som utvecklas i och runt bröstvävnaden är en vanlig orsak till bröstcancer hos kvinnor över hela världen och orsakar ett kritiskt hälsoproblem¹. Brösttumörer före metastasering kan behandlas genom kirurgi om de upptäcks i ett tidigt skede, men om de ignoreras kan de få allvarliga konsekvenser för patientens liv genom att sprida sig till lungorna, hjärnan och benen. De behandlingar som erbjuds i senare skeden, såsom strålning och kemikaliebaserade terapier, har allvarliga biverkningar². Nya studier har rapporterat att en tidig diagnos av bröstcancer minskar dödligheten med 60%³. Därför är det absolut nödvändigt att arbeta mot personliga metoder för tidig upptäckt. För detta ändamål har forskare som arbetar inom olika vetenskaps- och teknikområden använt mikrofluidik för att utveckla enheter för tidig diagnos av bröstcancer⁴. Dessa metoder inkluderar mikrokromatografi med cellaffinitet, magnetaktiverade mikrocellsorterare, storleksbaserad infångning och separation av cancerceller och dielektrofores på chip (DEP)^5,6. Dessa mikrofluidiska tekniker som rapporteras i litteraturen möjliggör exakt cellmanipulation, realtidsövervakning och sortering av väldefinierade prover, som fungerar som ett mellansteg i många diagnostiska och terapeutiska tillämpningar⁵. Integrationen av dessa sorteringsmekanismer med mikrofluidik erbjuder flexibel och tillförlitlig manipulation av målcellerna 7,8,9,10. En av de främsta fördelarna med en sådan integration är förmågan att arbeta med vätskeprover i nano till mikrolitervolymer och även att kunna manipulera provvätskans elektriska egenskaper. Genom att justera konduktiviteten hos suspenderande vätskan inuti mikrofluidiska anordningar kan de biologiska cellerna sorteras baserat på deras storlekar och skillnader i deras dielektriska egenskaper^11,12.

Bland dessa tekniker är on-chip DEP ofta att föredra eftersom det är en etikettfri cellsorteringsteknik som utnyttjar de biologiska provernas elektriska egenskaper. DEP har rapporterats manipulera bioprover som DNA 13, RNA 14, proteiner 15, bakterier 16, blodkroppar¹⁷, cirkulerande tumörceller (CTC)18 och stamceller ¹⁹. Mikrofluidiska anordningar som använder DEP för sortering av biologiska prover har rapporterats utförligt i litteratur²⁰. Reservoarbaserade DEP-mikrofluidiska (rDEP) anordningar för sortering av livskraftiga och icke-livskraftiga jästceller har rapporterats som skyddar cellerna från de negativa effekterna av elektrokemiska reaktioner^21,22. rapporterade en castellerad mikrofluidisk cellsorterare som separerade röda blodkroppar från blodplättar med en effektivitet på 97%²³. On-chip DEP-enheter med asymmetriska öppningar och inbäddade elektroder har också rapporterats sortera livskraftiga och icke-livskraftiga celler²⁴. modifierade den castellerade mikrofluidiska cellsorteraren genom att införa två matriser av mikroelektroder på båda sidor av kanalen^25,26. Detta hjälpte till att fokusera cellerna i mitten av kanalen. presenterade en DEP-baserad mikrofluidisk enhet för att separera och koncentrera MCF7-bröstcancerceller från leukocyter²⁷. De rapporterade en effektivitet för att extrahera MCF7-celler från leukocyter mellan 74% -98% med en frekvens på 1 MHz och en applicerad spänning som sträcker sig från 10-12 V_pp. Tilläggstabell 1 representerar en kvalitativ och kvantitativ jämförelse mellan de DEP-baserade mikrofluidiska sorteringsanordningarna baserat på deras design, elektrodkonfiguration och driftsparametrar (tillämpad frekvens och spänning).

På senare tid har forskare försökt mäta skillnaderna i det dielektriska beteendet hos bröstepitelceller (MCF-10A) och icke-metastatiska bröstcancerceller (MCF-7) inuti ett mikrofluidiskt chip^28,29. karakteriserade också de dielektriska svaren hos olika cancercellinjer med hjälp av en öppen koaxial sondteknik med frekvenser mellan 200 MHz och 13.6 GHz³⁰. Dessa skillnader i de dielektriska svaren hos MCF-7 och MCF-10A cellinjer kan utnyttjas för att separera dem under körning och kan leda till utveckling av personliga diagnosanordningar i tidigt skede.

I den här artikeln simulerar vi den kontrollerade sorteringen av icke-metastatiska bröstcancerceller (MCF-7) och icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A) med hjälp av AC-dielektrofores. Förändringsområdet i det elektriska fältet påverkar sorteringen inuti det mikrofluidiska chipet. Den föreslagna tekniken är enkel att implementera och möjliggör integration av sorteringstekniken i olika mikrofluidiska chiplayouter. Simuleringar av beräkningsvätskedynamik (CFD) utfördes för att studera separationen av icke-metastatiska bröstcancerceller och icke-tumörbröstepitelceller genom att variera konduktiviteten hos det vätskemedium i vilket celler suspenderades. I dessa simuleringar visas att genom att hålla konduktiviteten konstant och genom att ändra den tillämpade frekvensen kan separationen av cancerceller och friska celler kontrolleras.

Protocol

OBS: Protokollet här använder COMSOL, en multifysiksimuleringsprogramvara, för att simulera kontrollerad sortering av icke-metastatiska bröstcancerceller (MCF-7) och icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A) med AC-dielektrofores. 1. Chipdesign och parameterval Öppna multifysikprogramvara och välj Tom modell. Högerklicka på de globala definitionerna och välj Parametrar. Importera parametrarna i tabell …

Representative Results

Undersöka de optimala driftsparametrarna för effektiv DEP-baserad sortering av icke-metastaserande bröstcancerceller (MCF-7) och icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A)För att uppnå en framgångsrik separation av icke-metastatisk bröstcancer (MCF-7) och icke-tumörbröstepitelceller (MCF-10A) med divergerande dielektriska egenskaper när de genomgår dielektrofores, bör deras K-faktorer särskiljas genom att hålla den applicerade frekvensen fixerad37,38<sup …

Discussion

Mikrofluidiska enheter har tidigare rapporterats för cellodling, fångst och sortering 47,52,53. Tillverkningen av dessa enheter i renrummet är en dyr process, och det är absolut nödvändigt att kvantifiera produktionen och effektiviteten hos en föreslagen mikrofluidisk enhet genom CFD-simuleringar. Denna studie presenterar design och simuleringar av en AC-dielektroforetisk mikrofluidisk anordning för kontinuerlig separati…

Materials

COMSOL

COMSOL

multiphysics simulation software