Microfluïdisch apparaat voor de scheiding van niet-gemetastaseerde (MCF-7) en niet-tumor (MCF-10A) borstkankercellen met behulp van AC-dielectroforese

Een kwaadaardige tumor die zich in en rond het borstweefsel ontwikkelt, is wereldwijd een frequente oorzaak van borstkanker bij vrouwen, waardoor een kritiek gezondheidsprobleem^{ontstaat 1}. Borsttumoren vóór metastase kunnen worden behandeld door middel van een operatie als ze in een vroeg stadium worden gedetecteerd, maar als ze worden genegeerd, kunnen ze ernstige gevolgen hebben voor het leven van de patiënt door zich te verspreiden naar hun longen, hersenen en botten. De behandelingen die in latere stadia worden aangeboden, zoals bestraling en op chemicaliën gebaseerde therapieën, hebben ernstige bijwerkingen². Recente studies hebben gemeld dat een vroege diagnose van borstkanker het sterftecijfer met 60% vermindert ³. Daarom is het noodzakelijk om te werken aan gepersonaliseerde vroege detectiemethoden. Hiertoe hebben onderzoekers die werkzaam zijn op verschillende gebieden van wetenschap en technologie microfluïdica gebruikt om apparaten te ontwikkelen voor de vroege diagnose van borstkanker⁴. Deze methoden omvatten celaffiniteitsmicrochromatografie, magnetisch geactiveerde microcelsorteerders, op grootte gebaseerde opvang en scheiding van kankercellen en on-chip dielectroforese (DEP)^5,6. Deze microfluïdische technieken die in de literatuur worden gerapporteerd, maken nauwkeurige celmanipulatie, real-time monitoring en sortering van goed gedefinieerde monsters mogelijk, die dienen als een tussenstap in veel diagnostische en therapeutische toepassingen⁵. De integratie van deze sorteermechanismen met microfluïdica biedt flexibele en betrouwbare manipulatie van de doelcellen 7,8,9,10. Een van de belangrijkste voordelen van een dergelijke integratie is de mogelijkheid om te werken met vloeistofmonsters in nano- tot microlitervolumes en ook de elektrische eigenschappen van de monstervloeistof te manipuleren. Door de geleidbaarheid van de suspensievloeistof in microfluïdische apparaten aan te passen, kunnen de biologische cellen worden gesorteerd op basis van hun grootte en verschillen in hun diëlektrische eigenschappen^11,12.

Onder deze technieken heeft on-chip DEP vaak de voorkeur, omdat het een labelvrije celsorteertechniek is die de elektrische eigenschappen van de biologische monsters benut. Van DEP is gemeld dat het biomonsters manipuleert zoals DNA¹³, RNA¹⁴, eiwitten¹⁵, bacteriën¹⁶, bloedcellen¹⁷, circulerende tumorcellen (CTC’s)¹⁸ en stamcellen¹⁹. Microfluïdische apparaten die DEP gebruiken voor het sorteren van biologische monsters zijn uitgebreid gerapporteerd in literatuur²⁰. Reservoir-gebaseerde DEP microfluïdische (rDEP) apparaten voor het sorteren van levensvatbare en niet-levensvatbare gistcellen zijn gemeld die de cellen beschermen tegen de nadelige effecten van elektrochemische reacties^21,22. Piacentini et al. rapporteerden een gebogen microfluïdische celsorteerder die rode bloedcellen scheidde van bloedplaatjes met een efficiëntie van 97%²³. On-chip DEP-apparaten met asymmetrische openingen en ingebedde elektroden zijn ook gemeld om levensvatbare en niet-levensvatbare cellen te sorteren²⁴. Valero en Demierre et al. wijzigden de gebogen microfluïdische celsorteerder door twee arrays van micro-elektroden aan beide zijden van het kanaal^25,26 te introduceren. Dit hielp bij het focussen van de cellen in het midden van het kanaal. Zeynep et al. presenteerden een op DEP gebaseerd microfluïdisch apparaat om MCF7-borstkankercellen te scheiden en te concentreren van leukocyten²⁷. Ze rapporteerden een efficiëntie van het extraheren van MCF7-cellen uit leukocyten tussen 74% -98% met een frequentie van 1 MHz en een toegepaste spanning variërend van 10-12 V_pp. Aanvullende tabel 1 vertegenwoordigt een kwalitatieve en kwantitatieve vergelijking tussen de op DEP gebaseerde microfluïdische sorteerapparaten op basis van hun ontwerp, elektrodeconfiguratie en bedrijfsparameters (toegepaste frequentie en spanning).

Meer recent hebben onderzoekers geprobeerd de verschillen in het diëlektrische gedrag van borstepitheelcellen (MCF-10A) en niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) in een microfluïdische chip^28,29 te meten. Jithin et al. karakteriseerden ook de diëlektrische reacties van verschillende kankercellijnen met behulp van een open coaxiale sondetechniek met frequenties tussen 200 MHz en 13,6 GHz³⁰. Deze verschillen in de diëlektrische responsen van MCF-7 en MCF-10A cellijnen kunnen worden gebruikt om ze in runtime te scheiden en kunnen leiden tot de ontwikkeling van gepersonaliseerde diagnoseapparaten in een vroeg stadium.

In dit artikel simuleren we de gecontroleerde sortering van niet-gemetastaseerde borstkankercellen (MCF-7) en niet-tumor borstepitheelcellen (MCF-10A) met behulp van AC-dielectroforese. Het gebied van verandering in het elektrische veld beïnvloedt de sortering in de microfluïdische chip. De voorgestelde techniek is eenvoudig te implementeren en maakt de integratie van de sorteertechniek in verschillende microfluïdische chiplay-outs mogelijk. Computational fluid dynamics (CFD) simulaties werden uitgevoerd om de scheiding van niet-gemetastaseerde borstkankercellen en niet-tumor borstepitheelcellen te bestuderen door de geleidbaarheid van het vloeibare medium waarin cellen werden gesuspendeerd te variëren. In deze simulaties wordt aangetoond dat, door de geleidbaarheid constant te houden en door de toegepaste frequentie te veranderen, de scheiding van kankercellen en gezonde cellen kan worden gecontroleerd.