מכשיר מיקרופלואידי להפרדת תאים סרטניים שאינם גרורתיים (MCF-7) ושאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC

גידול ממאיר המתפתח בתוך ומסביב לרקמת השד הוא גורם שכיח לסרטן השד אצל נשים ברחבי העולם, וגורם לבעיה בריאותית קריטית¹. גידולי שד לפני גרורות יכולים להיות מטופלים באמצעות ניתוח אם הם מזוהים בשלב מוקדם, אך אם מתעלמים מהם, הם יכולים להיות בעלי השלכות חמורות על חיי המטופלת על ידי התפשטות לריאות, למוח ולעצמות. לטיפולים המוצעים בשלבים מאוחרים יותר, כגון קרינה וטיפולים מבוססי כימיקלים, יש תופעות לוואי קשות². מחקרים אחרונים דיווחו כי אבחון מוקדם של סרטן השד מפחית את שיעור התמותה ב -60%³. לפיכך, חובה לפעול למען שיטות מותאמות אישית לגילוי מוקדם. לשם כך, חוקרים העובדים בתחומים שונים של מדע וטכנולוגיה השתמשו במיקרופלואידיקה כדי לפתח מכשירים לאבחון מוקדם של סרטן השד⁴. שיטות אלה כוללות מיקרו-כרומטוגרפיה של זיקה תאית, ממיינים של מיקרו-תאים המופעלים על-ידי מגנטית, לכידה והפרדה של תאים סרטניים מבוססי גודל, ודיאלקטרופורזה על השבב (DEP)^5,6. טכניקות מיקרופלואידיות אלה המדווחות בספרות מאפשרות מניפולציה מדויקת של תאים, ניטור בזמן אמת ומיון של דגימות מוגדרות היטב, המשמשות כשלב ביניים ביישומים אבחוניים וטיפוליים רבים⁵. השילוב של מנגנוני מיון אלה עם microfluidics מציע מניפולציה גמישה ואמינה של תאי המטרה 7,8,9,10. אחד היתרונות העיקריים של אינטגרציה כזו הוא היכולת לעבוד עם דגימות נוזל בנפחי ננו למיקרוליטר וגם היכולת לתפעל את התכונות החשמליות של נוזל הדגימה. על ידי התאמת המוליכות של הנוזל התלוי בתוך התקנים מיקרופלואידיים, ניתן למיין את התאים הביולוגיים על סמך גודלם וההבדלים בתכונותיהם הדיאלקטריות^11,12.

בין טכניקות אלה, DEP על השבב הוא המועדף לעתים קרובות כפי שהוא טכניקת מיון תאים ללא תווית המנצלת את התכונות החשמליות של דגימות ביולוגיות. דווח כי DEP מבצעת מניפולציות בדגימות ביולוגיות כגון DNA 13, RNA 14, חלבונים 15, חיידקים 16, תאי דם 17, תאי גידול במחזור הדם (CTCs)18 ותאי גזע ¹⁹. התקנים מיקרופלואידיים המשתמשים ב-DEP למיון דגימות ביולוגיות דווחו בהרחבה בספרות²⁰. דווח על התקנים מיקרופלואידיים מבוססי מאגר DEP (rDEP) למיון תאי שמרים בני קיימא ולא בני קיימא המגנים על התאים מפני ההשפעות השליליות של תגובות אלקטרוכימיות^21,22. Piacentini et al. דיווחו על סדרן תאים מיקרופלואידי קסטלי שהפריד בין תאי דם אדומים לטסיות דם ביעילות של 97%²³. כמו כן, דווח כי התקני DEP על השבב עם פתחים אסימטריים ואלקטרודות משובצות ממיינים תאים בני קיימא ולא בני קיימא²⁴. Valero ו- Demierre et al. שינו את סדרן התאים המיקרופלואידיים הקסטל על ידי הצגת שני מערכים של מיקרואלקטרודות משני צידי ערוץ^25,26. זה עזר למקד את התאים במרכז הערוץ. Zeynep et al. הציגו מכשיר מיקרופלואידי מבוסס DEP להפרדה וריכוז של תאי סרטן שד MCF7 מלוקוציטים²⁷. הם דיווחו על יעילות של מיצוי תאי MCF7 מלוקוציטים בין 74%-98% עם תדר של 1 מגה-הרץ ומתח מופעל הנע בין 10-12 וולט_לאדם. טבלה משלימה 1 מייצגת השוואה איכותית וכמותית בין התקני מיון מיקרופלואידיים מבוססי DEP בהתבסס על התכנון, תצורת האלקטרודות ופרמטרים התפעוליים שלהם (תדר ומתח מופעלים).

לאחרונה, חוקרים ניסו למדוד את ההבדלים בהתנהגות הדיאלקטרית של תאי אפיתל שד (MCF-10A) ותאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF-7) בתוך שבב מיקרופלואידי^28,29. Jithin et al. אפיינו גם את התגובות הדיאלקטריות של קווי תאים סרטניים שונים באמצעות טכניקת בדיקה קואקסיאלית פתוחה עם תדרים בין 200 MHz ל-13.6 GHz³⁰. הבדלים אלה בתגובות הדיאלקטריות של קווי התאים MCF-7 ו-MCF-10A יכולים להיות מנוצלים כדי להפריד ביניהם בזמן ריצה ויכולים להוביל לפיתוח מכשירי אבחון מותאמים אישית בשלב מוקדם.

במאמר זה אנו מדמים מיון מבוקר של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC. אזור השינוי בשדה החשמלי משפיע על המיון בתוך השבב המיקרופלואידי. הטכניקה המוצעת קלה ליישום ומאפשרת שילוב של טכניקת המיון בפריסות שבבים מיקרופלואידיות שונות. סימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) בוצעו כדי לחקור את ההפרדה בין תאי סרטן שד שאינם גרורתיים לבין תאי אפיתל שדיים שאינם סרטניים על ידי שינוי המוליכות של המדיום הנוזלי שבו היו תלויים התאים. בסימולציות אלה ניתן לראות כי על ידי שמירה על מוליכות קבועה ועל ידי שינוי התדירות המיושמת, ניתן לשלוט בהפרדת תאים סרטניים ותאים בריאים.