Mikrofluidisk enhet for separasjon av ikke-metastatiske (MCF-7) og ikke-tumor (MCF-10A) brystkreftceller ved bruk av AC-dielektroforese

Summary

Brystkreftceller utviser forskjellige dielektriske egenskaper sammenlignet med ikke-tumorbrystepitelceller. Det har blitt antatt at, basert på denne forskjellen i dielektriske egenskaper, kan de to populasjonene skilles for immunterapiformål. For å støtte dette modellerer vi en mikrofluidisk enhet for å sortere MCF-7- og MCF-10A-celler.

Abstract

Dielektroforetiske enheter er i stand til å oppdage og manipulere kreftceller på en etikettfri, kostnadseffektiv, robust og nøyaktig måte ved å bruke prinsippet om polarisering av kreftcellene i prøvevolumet ved å bruke et eksternt elektrisk felt. Denne artikkelen demonstrerer hvordan en mikrofluidisk plattform kan utnyttes for kontinuerlig sortering av ikke-metastatiske brystkreftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved bruk av hydrodynamisk dielektroforese (HDEP) fra celleblandingen. Ved å generere et elektrisk felt mellom to elektroder plassert side om side med et mikronstørrelsesgap mellom dem i en HDEP mikrofluidisk chip, kan ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) skyves bort, og viser negativ DEP inne i hovedkanalen, mens de ikke-metastatiske brystkreftcellene følger kurset upåvirket når de suspenderes i cellemedium på grunn av ledningsevne høyere enn membranledningsevnen. For å demonstrere dette konseptet ble simuleringer utført for forskjellige verdier av mediumkonduktivitet, og sortering av celler ble studert. En parametrisk studie ble utført, og en egnet celleblandingsledningsevne ble funnet å være 0,4 S / m. Ved å holde mediumkonduktiviteten fast ble det etablert en tilstrekkelig vekselstrømfrekvens på 0,8 MHz, noe som ga maksimal sorteringseffektivitet ved å variere den elektriske feltfrekvensen. Ved bruk av den demonstrerte metoden, etter å ha valgt riktig celleblanding suspensjonsmedium ledningsevne og frekvens av den påførte vekselstrøm, kan maksimal sorteringseffektivitet oppnås.

Introduction

En ondartet svulst som utvikler seg i og rundt brystvevet er en hyppig årsak til brystkreft hos kvinner over hele verden, noe som forårsaker et kritisk helseproblem¹. Brysttumorer før metastase kan behandles gjennom kirurgi hvis de oppdages på et tidlig stadium, men hvis de ignoreres, kan de få alvorlige konsekvenser for pasientens liv ved å spre seg til lungene, hjernen og beinene. Behandlingene som tilbys på senere stadier, for eksempel stråling og kjemisk baserte terapier, har alvorlige bivirkninger². Nylige studier har rapportert at en tidlig diagnose av brystkreft reduserer dødeligheten med 60%³. Derfor er det viktig å jobbe mot personlige tidlige deteksjonsmetoder. For dette formål har forskere som arbeider innen ulike fagområder og teknologi brukt mikrofluidikk til å utvikle enheter for tidlig diagnose av brystkreft⁴. Disse metodene inkluderer mikrokromatografi av celleaffinitet, magnetisk aktiverte mikrocellesorterere, størrelsesbasert kreftcellefangst og separasjon, og on-chip dielektroforese (DEP)^5,6. Disse mikrofluidiske teknikkene som er rapportert i litteraturen, muliggjør presis cellemanipulering, sanntidsovervåking og sortering av veldefinerte prøver, som fungerer som et mellomtrinn i mange diagnostiske og terapeutiske anvendelser⁵. Integrasjonen av disse sorteringsmekanismene med mikrofluidikk gir fleksibel og pålitelig manipulering av målcellene 7,8,9,10. En av hovedfordelene ved en slik integrasjon er evnen til å arbeide med væskeprøver i nano til mikroliter volumer og også å kunne manipulere de elektriske egenskapene til prøvevæsken. Ved å justere ledningsevnen til suspensjonsvæsken inne i mikrofluidiske enheter, kan de biologiske cellene sorteres basert på deres størrelser og forskjeller i deres dielektriske egenskaper^11,12.

Blant disse teknikkene er on-chip DEP ofte foretrukket, da det er en etikettfri cellesorteringsteknikk som utnytter de elektriske egenskapene til de biologiske prøvene. DEP har blitt rapportert å manipulere bio-prøver som DNA 13, RNA¹⁴, proteiner 15, bakterier 16, blodceller 17, sirkulerende tumorceller (CTCs) 18, og stamceller ¹⁹. Mikrofluidiske enheter som benytter DEP for sortering av biologiske prøver er rapportert mye i litteratur²⁰. Reservoarbaserte DEP mikrofluidiske (rDEP) enheter for sortering av levedyktige og ikke-levedyktige gjærceller er rapportert som beskytter cellene mot bivirkninger av elektrokjemiske reaksjoner^21,22. Piacentini og medarbeidere rapporterte en castellated mikrofluidisk cellesorterer som separerte røde blodlegemer fra blodplater med en effektivitet på 97%²³. On-chip DEP-enheter med asymmetriske åpninger og innebygde elektroder har også blitt rapportert å sortere levedyktige og ikke-levedyktige celler²⁴. Valero og Demierre og medarbeidere modifiserte den kastellerte mikrofluidiske cellesortereren ved å introdusere to matriser av mikroelektroder på begge sider av kanalen^25,26. Dette bidro til å fokusere cellene i midten av kanalen. Zeynep og medarbeidere presenterte en DEP-basert mikrofluidisk enhet for å separere og konsentrere MCF7 brystkreftceller fra leukocytter²⁷. De rapporterte en effektivitet ved å trekke ut MCF7-celler fra leukocytter mellom 74% -98% med en frekvens på 1 MHz og en påført spenning fra 10-12 V_pp. Supplerende tabell 1 representerer en kvalitativ og kvantitativ sammenligning mellom de DEP-baserte mikrofluidiske sorteringsenhetene basert på deres design, elektrodekonfigurasjon og driftsparametere (anvendt frekvens og spenning).

Mer nylig har forskere forsøkt å måle forskjellene i den dielektriske oppførselen til brystepitelceller (MCF-10A) og ikke-metastatiske brystkreftceller (MCF-7) inne i en mikrofluidisk chip^28,29. Jithin og medarbeidere karakteriserte også de dielektriske responsene til forskjellige kreftcellelinjer ved hjelp av en åpen koaksial sondeteknikk med frekvenser mellom 200 MHz og 13,6 GHz³⁰. Disse forskjellene i de dielektriske responsene til MCF-7 og MCF-10A cellelinjer kan utnyttes for å skille dem i kjøretid og kan føre til utvikling av personlige diagnoseenheter i tidlig fase.

I denne artikkelen simulerer vi kontrollert sortering av ikke-metastatiske brystkreftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved hjelp av AC-dielektroforese. Endringsområdet i det elektriske feltet påvirker sorteringen inne i mikrofluidisk chip. Den foreslåtte teknikken er enkel å implementere og muliggjør integrering av sorteringsteknikken i forskjellige mikrofluidiske chipoppsett. Computational fluid dynamics (CFD) simuleringer ble utført for å studere separasjonen av ikke-metastatiske brystkreftceller og ikke-tumor brystepitelceller ved å variere ledningsevnen til væskemediet der cellene ble suspendert. I disse simuleringene er det vist at ved å holde ledningsevnen konstant og ved å endre den påførte frekvensen, kan separasjonen av kreftceller og friske celler kontrolleres.

Protocol

MERK: Protokollen her bruker COMSOL, en multifysikksimuleringsprogramvare, for å simulere kontrollert sortering av ikke-metastatiske brystkreftceller (MCF-7) og ikke-tumorbrystepitelceller (MCF-10A) ved hjelp av AC-dielektroforese. 1. Chipdesign og parametervalg Åpne multifysikkprogramvare og velg Tom modell. Høyreklikk på de globale definisjonene og velg Parametere. Importer parameterne gitt i tabell 1</…

Representative Results

Undersøke de optimale driftsparametrene for effektiv DEP-basert sortering av ikke-metastatisk brystkreft (MCF-7) og ikke-tumor brystepitel (MCF-10A) cellerFor å oppnå en vellykket separasjon av ikke-metastatisk brystkreft (MCF-7) og ikke-tumor brystepitel (MCF-10A) celler med divergerende dielektriske egenskaper når de gjennomgår dielektroforese, bør deres K-faktorer være forskjellige ved å holde den påførte frekvensen fast37,38. Kv…

Discussion

Mikrofluidiske enheter har blitt rapportert tidligere for cellekultur, fangst og sortering 47,52,53. Fremstillingen av disse enhetene i renrommet er en kostbar prosess, og det er viktig å kvantifisere utgangen og effektiviteten til en foreslått mikrofluidisk enhet gjennom CFD-simuleringer. Denne studien presenterer design og simuleringer av en AC-dielektroforetisk mikrofluidisk enhet for kontinuerlig separasjon av ikke-metasta…

Materials

COMSOL

COMSOL

multiphysics simulation software