JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

جهاز الموائع الدقيقة لفصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) وغير الورمية (MCF-10A) باستخدام الرحلان الكهربائي AC

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

تظهر خلايا سرطان الثدي خصائص عازلة مختلفة مقارنة بالخلايا الظهارية غير الورمية للثدي. وقد افترض أنه بناء على هذا الاختلاف في خصائص العزل الكهربائي ، يمكن فصل المجموعتين لأغراض العلاج المناعي. لدعم ذلك ، قمنا بتصميم جهاز الموائع الدقيقة لفرز خلايا MCF-7 و MCF-10A.

Abstract

أجهزة الرحلان الكهربائي قادرة على اكتشاف الخلايا السرطانية ومعالجتها بطريقة خالية من الملصقات وفعالة من حيث التكلفة وقوية ودقيقة باستخدام مبدأ استقطاب الخلايا السرطانية في حجم العينة عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي. توضح هذه المقالة كيف يمكن استخدام منصة الموائع الدقيقة للفرز المستمر عالي الإنتاجية لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) باستخدام الرحلان الكهربائي الهيدروديناميكي (HDEP) من خليط الخلية. من خلال توليد مجال كهربائي بين قطبين كهربائيين موضوعين جنبا إلى جنب مع وجود فجوة بحجم ميكرون بينهما في رقاقة الموائع الدقيقة HDEP ، يمكن دفع الخلايا الظهارية للثدي غير الورمية (MCF-10A) بعيدا ، مما يؤدي إلى إظهار DEP سلبي داخل القناة الرئيسية ، بينما تتبع خلايا سرطان الثدي غير النقيلي مسارها دون أن تتأثر عند تعليقها في وسط الخلية بسبب وجود موصلية أعلى من الموصلية الغشائية. لإثبات هذا المفهوم ، تم إجراء عمليات محاكاة لقيم مختلفة من الموصلية المتوسطة ، وتمت دراسة فرز الخلايا. تم إجراء دراسة بارامترية ، ووجد أن الموصلية المناسبة لخليط الخلية هي 0.4 S / m. من خلال الحفاظ على الموصلية المتوسطة ثابتة ، تم إنشاء تردد تيار متردد مناسب يبلغ 0.8 ميجاهرتز ، مما يعطي أقصى كفاءة فرز ، عن طريق تغيير تردد المجال الكهربائي. باستخدام الطريقة الموضحة ، بعد اختيار الموصلية المتوسطة لتعليق خليط الخلية المناسب وتردد التيار المتردد المطبق ، يمكن تحقيق أقصى كفاءة فرز.

Introduction

الورم الخبيث الذي يتطور داخل أنسجة الثدي وحولها هو سبب متكرر لسرطان الثدي لدى النساء في جميع أنحاء العالم ، مما يسبب مشكلة صحية حرجة1. يمكن علاج أورام الثدي قبل ورم خبيث من خلال الجراحة إذا تم اكتشافها في مرحلة مبكرة ، ولكن إذا تم تجاهلها ، يمكن أن يكون لها آثار خطيرة على حياة المريض من خلال الانتشار إلى الرئتين والدماغ والعظام. العلاجات المقدمة في مراحل لاحقة ، مثل الإشعاع والعلاجات الكيميائية ، لها آثار جانبية شديدة2. أفادت الدراسات الحديثة أن التشخيص المبكر لسرطان الثدي يقلل من معدل الوفيات بنسبة 60٪ 3. وبالتالي ، من الضروري العمل على طرق الكشف المبكر الشخصية. تحقيقا لهذه الغاية ، استخدم الباحثون العاملون في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا الموائع الدقيقة لتطوير أجهزة للتشخيص المبكر لسرطان الثدي4. تشمل هذه الطرق الكروماتوغرافيا الدقيقة لتقارب الخلايا ، وفرز الخلايا الدقيقة التي يتم تنشيطها مغناطيسيا ، والتقاط الخلايا السرطانية وفصلها على أساس الحجم ، والرحلان الكهربائي على الرقاقة (DEP) 5,6. تتيح تقنيات الموائع الدقيقة المذكورة في الأدبيات معالجة دقيقة للخلايا ، والمراقبة في الوقت الفعلي ، وفرز العينات المحددة جيدا ، والتي تعمل كخطوة وسيطة في العديد من التطبيقات التشخيصية والعلاجية5. يوفر تكامل آليات الفرز هذه مع الموائع الدقيقة معالجة مرنة وموثوقة للخلايا المستهدفة7،8،9،10. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمثل هذا التكامل في القدرة على العمل مع عينات السوائل بأحجام نانو إلى ميكرولتر وأيضا القدرة على التعامل مع الخواص الكهربائية لسائل العينة. من خلال ضبط موصلية السائل المعلق داخل أجهزة الموائع الدقيقة ، يمكن فرز الخلايا البيولوجية بناء على أحجامها والاختلافات في خصائصها العازلة11,12.

من بين هذه التقنيات ، غالبا ما يفضل DEP على الرقاقة لأنه تقنية فرز خلايا خالية من الملصقات تستغل الخصائص الكهربائية للعينات البيولوجية. تم الإبلاغ عن DEP لمعالجة العينات الحيوية مثل DNA 13 و RNA 14 والبروتينات 15 والبكتيريا 16 وخلايا الدم 17 والخلايا السرطانية المنتشرة (CTCs) 18 والخلايا الجذعية 19. تم الإبلاغ عن أجهزة الموائع الدقيقة التي تستخدم DEP لفرز العينات البيولوجية على نطاق واسع في الأدبيات20. تم الإبلاغ عن أجهزة الموائع الدقيقة DEP (rDEP) القائمة على الخزان لفرز خلايا الخميرة القابلة للحياة وغير القابلة للحياة والتي تحمي الخلايا من الآثار الضارة للتفاعلات الكهروكيميائية21,22. أبلغ Piacentini et al. عن فارز خلايا الموائع الدقيقة المنبوذة الذي فصل خلايا الدم الحمراء عن الصفائح الدموية بكفاءة 97٪ 23. كما تم الإبلاغ عن أجهزة DEP على الرقاقة ذات الفتحات غير المتماثلة والأقطاب الكهربائية المدمجة لفرز الخلايا القابلة للحياة وغير القابلة للحياة24. قام Valero و Demierre et al. بتعديل فارز خلايا الموائع الدقيقة المصبوب عن طريق إدخال صفيفين من الأقطاب الكهربائية الدقيقة على جانبي القناة25,26. ساعد هذا في تركيز الخلايا في وسط القناة. قدمت Zeynep et al. جهاز microfluidic القائم على DEP لفصل وتركيز خلايا سرطان الثدي MCF7 من الكريات البيض27. أبلغوا عن كفاءة استخراج خلايا MCF7 من الكريات البيض بين 74٪ -98٪ بتردد 1 ميجاهرتز وجهد مطبق يتراوح من 10-12 فولتpp. يمثل الجدول التكميلي 1 مقارنة نوعية وكمية بين أجهزة فرز الموائع الدقيقة القائمة على DEP بناء على تصميمها وتكوين القطب الكهربائي ومعلمات التشغيل (التردد والجهد المطبقين).

في الآونة الأخيرة ، حاول الباحثون قياس الاختلافات في السلوك العازل للخلايا الظهارية للثدي (MCF-10A) وخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) داخل شريحة الموائع الدقيقة28,29. كما ميز Jithin et al. الاستجابات العازلة لخطوط الخلايا السرطانية المختلفة باستخدام تقنية مسبار متحد المحور مفتوح النهاية بترددات تتراوح بين 200 ميجاهرتز و 13.6 جيجاهرتز30. يمكن استغلال هذه الاختلافات في الاستجابات العازلة لخطوط الخلايا MCF-7 و MCF-10A لفصلها في وقت التشغيل ويمكن أن تؤدي إلى تطوير أجهزة تشخيص شخصية في المراحل المبكرة.

في هذه المقالة ، نقوم بمحاكاة الفرز الخاضع للرقابة لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) باستخدام الرحلان الكهربائي AC. تؤثر منطقة التغيير في المجال الكهربائي على الفرز داخل رقاقة الموائع الدقيقة. التقنية المقترحة سهلة التنفيذ وتسمح بدمج تقنية الفرز في تخطيطات مختلفة لشرائح الموائع الدقيقة. تم إجراء محاكاة ديناميات الموائع الحسابية (CFD) لدراسة فصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلي والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي عن طريق تغيير موصلية وسط السائل الذي تم تعليق الخلايا فيه. في هذه المحاكاة ، يظهر أنه من خلال الحفاظ على الموصلية ثابتة وتغيير التردد المطبق ، يمكن التحكم في فصل الخلايا السرطانية والخلايا السليمة.

Protocol

ملاحظة: يستخدم البروتوكول هنا COMSOL ، وهو برنامج محاكاة متعدد الفيزياء ، لمحاكاة الفرز الخاضع للرقابة لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) باستخدام الرحلان الكهربائي AC. 1. تصميم رقاقة واختيار المعلمة افتح برنامج الفيز…

Representative Results

التحقيق في المعلمات التشغيلية المثلى للفرز الفعال القائم على DEP لسرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير الورمية للثدي (MCF-10A)لتحقيق فصل ناجح لسرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير الورمية للثدي (MCF-10A) ذات الخصائص العازلة المتباينة عند الخضوع للرحلان الك?…

Discussion

تم الإبلاغ سابقا عن أجهزة الموائع الدقيقة لزراعة الخلايا ، والاصطياد ، والفرز47،52،53. يعد تصنيع هذه الأجهزة في غرف الأبحاث عملية مكلفة ، ومن الضروري تحديد ناتج وكفاءة جهاز الموائع الدقيقة المقترح من خلال محاكاة CFD. تقدم هذه الدراسة تصميم و?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذه الدراسة من قبل لجنة التعليم العالي في باكستان.

Materials

COMSOL COMSOL multiphysics simulation software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image