Mikrofluidisk enhed til adskillelse af ikke-metastatiske (MCF-7) og ikke-tumor (MCF-10A) brystkræftceller ved hjælp af AC-dielektroforese

Summary

Brystkræftceller udviser forskellige dielektriske egenskaber sammenlignet med ikke-tumorbrystepitelceller. Det er blevet antaget, at baseret på denne forskel i dielektriske egenskaber kan de to populationer adskilles til immunterapiformål. For at understøtte dette modellerer vi en mikrofluidisk enhed til sortering af MCF-7- og MCF-10A-celler.

Abstract

Dielektroforetiske enheder er i stand til detektion og manipulation af kræftceller på en etiketfri, omkostningseffektiv, robust og nøjagtig måde ved hjælp af princippet om polarisering af kræftcellerne i prøvevolumenet ved at anvende et eksternt elektrisk felt. Denne artikel demonstrerer, hvordan en mikrofluidisk platform kan bruges til kontinuerlig sortering af ikke-metastatiske brystkræftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved hjælp af hydrodynamisk dielektroforese (HDEP) fra celleblandingen. Ved at generere et elektrisk felt mellem to elektroder placeret side om side med et mikronstort mellemrum mellem dem i en HDEP-mikrofluidisk chip, kan ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) skubbes væk og udvise negativ DEP inde i hovedkanalen, mens de ikke-metastatiske brystkræftceller følger deres forløb upåvirket, når de suspenderes i cellemedium på grund af at have ledningsevne højere end membranledningsevnen. For at demonstrere dette koncept blev simuleringer udført for forskellige værdier af medium ledningsevne, og sorteringen af celler blev undersøgt. En parametrisk undersøgelse blev udført, og en passende celleblandingsledningsevne viste sig at være 0,4 S / m. Ved at holde mediumledningsevnen fast blev der etableret en tilstrækkelig vekselstrømsfrekvens på 0,8 MHz, hvilket gav maksimal sorteringseffektivitet ved at variere den elektriske feltfrekvens. Ved anvendelse af den demonstrerede metode kan der opnås maksimal sorteringseffektivitet efter valg af den passende celleblandingssuspensionsmedium ledningsevne og frekvens af den påførte AC.

Introduction

En ondartet tumor, der udvikler sig i og omkring brystvævet, er en hyppig årsag til brystkræft hos kvinder over hele verden, hvilket forårsager et kritisk sundhedsproblem¹. Brysttumorer før metastase kan behandles gennem kirurgi, hvis de opdages på et tidligt stadium, men hvis de ignoreres, kan de have alvorlige konsekvenser for patientens liv ved at sprede sig til deres lunger, hjerne og knogler. De behandlinger, der tilbydes på senere stadier, såsom stråling og kemisk baserede terapier, har alvorlige bivirkninger². Nylige undersøgelser har rapporteret, at en tidlig diagnose af brystkræft reducerer dødeligheden med 60%³. Derfor er det bydende nødvendigt at arbejde hen imod personaliserede tidlige detektionsmetoder. Til dette formål har forskere, der arbejder inden for forskellige områder inden for videnskab og teknologi, brugt mikrofluidik til at udvikle enheder til tidlig diagnose af brystkræft⁴. Disse metoder omfatter celleaffinitetsmikrokromatografi, magnetisk aktiverede mikrocellesorterere, størrelsesbaseret kræftcelleindfangning og adskillelse og on-chip dielektroforese (DEP)^5,6. Disse mikrofluidiske teknikker, der er rapporteret i litteraturen, muliggør præcis cellemanipulation, realtidsovervågning og sortering af veldefinerede prøver, der tjener som et mellemliggende trin i mange diagnostiske og terapeutiske applikationer⁵. Integrationen af disse sorteringsmekanismer med mikrofluidik giver fleksibel og pålidelig manipulation af målcellerne 7,8,9,10. En af de største fordele ved en sådan integration er evnen til at arbejde med væskeprøver i nano til mikroliter volumener og også være i stand til at manipulere prøvevæskens elektriske egenskaber. Ved at justere ledningsevnen af suspensionsvæsken inde i mikrofluidiske enheder kan de biologiske celler sorteres baseret på deres størrelser og forskelle i deres dielektriske egenskaber^11,12.

Blandt disse teknikker foretrækkes on-chip DEP ofte, da det er en etiketfri cellesorteringsteknik, der udnytter de biologiske prøvers elektriske egenskaber. DEP er blevet rapporteret at manipulere bioprøver såsom DNA 13, RNA 14, proteiner 15, bakterier¹⁶, blodceller 17, cirkulerende tumorceller (CTC’er)18 og stamceller ¹⁹. Mikrofluidiske enheder, der anvender DEP til sortering af biologiske prøver, er blevet rapporteret udførligt i litteratur²⁰. Reservoirbaserede DEP-mikrofluidiske (rDEP) enheder til sortering af levedygtige og ikke-levedygtige gærceller er blevet rapporteret, der beskytter cellerne mod de negative virkninger af elektrokemiske reaktioner^21,22. Piacentini et al. rapporterede en castelleret mikrofluid cellesorterer, der adskilte røde blodlegemer fra blodplader med en effektivitet på 97%²³. On-chip DEP-enheder med asymmetriske åbninger og indlejrede elektroder er også rapporteret at sortere levedygtige og ikke-levedygtige celler²⁴. Valero og Demierre et al. modificerede den castellerede mikrofluidiske cellesorterer ved at indføre to arrays af mikroelektroder på begge sider af kanalen^25,26. Dette hjalp med at fokusere cellerne i midten af kanalen. Zeynep et al. præsenterede en DEP-baseret mikrofluidisk enhed til at adskille og koncentrere MCF7 brystkræftceller fra leukocytter²⁷. De rapporterede en effektivitet ved at ekstrahere MCF7-celler fra leukocytter mellem 74% -98% med en frekvens på 1 MHz og en påført spænding fra 10-12 V_pp. Supplerende tabel 1 repræsenterer en kvalitativ og kvantitativ sammenligning mellem de DEP-baserede mikrofluidiske sorteringsanordninger baseret på deres design, elektrodekonfiguration og driftsparametre (anvendt frekvens og spænding).

For nylig har forskere forsøgt at måle forskellene i den dielektriske opførsel af brystepitelceller (MCF-10A) og ikke-metastatiske brystkræftceller (MCF-7) inde i en mikrofluidisk chip^28,29. Jithin et al. karakteriserede også de dielektriske reaktioner fra forskellige kræftcellelinjer ved hjælp af en åben koaksial sondeteknik med frekvenser mellem 200 MHz og 13,6 GHz³⁰. Disse forskelle i de dielektriske reaktioner fra MCF-7 og MCF-10A cellelinjer kan udnyttes til at adskille dem i runtime og kan føre til udvikling af personaliserede diagnoseenheder i tidlig fase.

I denne artikel simulerer vi den kontrollerede sortering af ikke-metastatiske brystkræftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved hjælp af AC-dielektroforese. Ændringsområdet i det elektriske felt påvirker sorteringen inde i den mikrofluidiske chip. Den foreslåede teknik er let at implementere og giver mulighed for integration af sorteringsteknikken i forskellige mikrofluidiske chiplayouter. Computational fluid dynamics (CFD) simuleringer blev udført for at studere adskillelsen af ikke-metastatiske brystkræftceller og ikke-tumorbrystepitelceller ved at variere ledningsevnen af væskemediet, hvori celler blev suspenderet. I disse simuleringer er det vist, at ved at holde ledningsevnen konstant og ved at ændre den anvendte frekvens kan adskillelsen af kræftceller og sunde celler kontrolleres.

Protocol

BEMÆRK: Protokollen her bruger COMSOL, en multifysiksimuleringssoftware, til at simulere den kontrollerede sortering af ikke-metastatiske brystkræftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved hjælp af AC-dielektroforese. 1. Chipdesign og parametervalg Åbn multifysiksoftware, og vælg Tom model. Højreklik på Globale definitioner , og vælg Parametre. Importer parametrene i tabel 1</strong…

Representative Results

Undersøgelse af de optimale operationelle parametre for effektiv DEP-baseret sortering af ikke-metastatisk brystkræft (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitel (MCF-10A) cellerFor at opnå en vellykket adskillelse af ikke-metastatisk brystkræft (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) med divergerende dielektriske egenskaber, når de gennemgår dielektroforese, bør deres K-faktorer være forskellige ved at holde den anvendte frekvens fast37,38</…

Discussion

Mikrofluidiske enheder er tidligere blevet rapporteret til cellekultur, fangst og sortering 47,52,53. Fremstillingen af disse enheder i renrummet er en dyr proces, og det er bydende nødvendigt at kvantificere output og effektivitet af en foreslået mikrofluidisk enhed gennem CFD-simuleringer. Denne undersøgelse præsenterer design og simuleringer af en AC-dielektroforetisk mikrofluidisk enhed til kontinuerlig adskillelse af ik…

Materials

COMSOL

COMSOL

multiphysics simulation software