Dispositivo microfluídico para a separação de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e não tumoral (MCF-10A) usando dieletroforese AC

Um tumor maligno que se desenvolve dentro e ao redor do tecido mamário é uma causa frequente de câncer de mama em mulheres em todo o mundo, causando um problema crítico de saúde¹. Os tumores de mama antes da metástase podem ser tratados através de cirurgia se detectados em um estágio inicial, mas se ignorados, eles podem ter implicações graves na vida do paciente, espalhando-se para seus pulmões, cérebro e ossos. Os tratamentos oferecidos em estágios posteriores, como radiação e terapias químicas, apresentam efeitos colaterais graves². Estudos recentes têm relatado que o diagnóstico precoce do câncer de mama reduz a taxa de mortalidade em 60%³. Por isso, é imperativo trabalhar em direção a métodos personalizados de detecção precoce. Para tanto, pesquisadores que atuam em diferentes áreas da ciência e da tecnologia têm utilizado a microfluídica para desenvolver dispositivos para o diagnóstico precoce do câncer de mama⁴. Esses métodos incluem microcromatografia de afinidade celular, classificadores de microcélulas ativadas por magnetismo, captura e separação de células cancerígenas baseadas em tamanho e dieletroforese no chip (DEP)^5,6. Essas técnicas microfluídicas relatadas na literatura permitem a manipulação celular precisa, o monitoramento em tempo real e a triagem de amostras bem definidas, que servem como etapa intermediária em muitas aplicações diagnósticas e terapêuticas⁵. A integração desses mecanismos de classificação com a microfluídica oferece manipulação flexível e confiável das células-alvo 7,8,9,10. Uma das principais vantagens de tal integração é a capacidade de trabalhar com amostras de fluido em volumes nano a microlitros e também ser capaz de manipular as propriedades elétricas do fluido da amostra. Ajustando a condutividade do fluido suspenso no interior de dispositivos microfluídicos, as células biológicas podem ser classificadas com base em seus tamanhos e diferenças em suas propriedades dielétricas^11,12.

Entre essas técnicas, o DEP no chip é frequentemente preferido, pois é uma técnica de classificação de células sem rótulo que explora as propriedades elétricas das amostras biológicas. Foi relatado que o DEP manipula bioamostras como DNA¹³, RNA¹⁴, proteínas 15, bactérias¹⁶, células sanguíneas 17, células tumorais circulantes (CTCs)18 e células-tronco ¹⁹. Dispositivos microfluídicos que empregam DEP para triagem de amostras biológicas têm sido amplamente relatados na literatura²⁰. Dispositivos microfluídicos DEP (rDEP) baseados em reservatórios para triagem de células de levedura viáveis e não viáveis têm sido relatados que protegem as células dos efeitos adversos de reações eletroquímicas^21,22. Piacentini e col. relataram um classificador de células microfluídicas casteladas que separou os glóbulos vermelhos das plaquetas com uma eficiência de 97%²³. Dispositivos DEP no chip com orifícios assimétricos e eletrodos embutidos também foram relatados para classificar células viáveis e não viáveis²⁴. Valero e Demierre et al. modificaram o classificador de células microfluídicas casteladas introduzindo duas matrizes de microeletrodos em ambos os lados do canal^25,26. Isso ajudou a focar as células no centro do canal. Zeynep e col. apresentaram um dispositivo microfluídico baseado em DEP para separar e concentrar células de câncer de mama MCF7 de leucócitos²⁷. Eles relataram uma eficiência de extração de células MCF7 de leucócitos entre 74%-98% com uma frequência de 1 MHz e uma tensão aplicada variando de 10-12 V_pp. A Tabela 1 Suplementar representa uma comparação qualitativa e quantitativa entre os dispositivos de classificação microfluídica baseados em DEP com base em seu projeto, configuração de eletrodos e parâmetros operacionais (frequência e tensão aplicadas).

Mais recentemente, pesquisadores têm tentado medir as diferenças no comportamento dielétrico de células epiteliais mamárias (MCF-10A) e células de câncer de mama não metastático (MCF-7) dentro de um chip microfluídico^28,29. Jithin et al. também caracterizaram as respostas dielétricas de diferentes linhagens celulares de câncer usando uma técnica de sonda coaxial aberta com frequências entre 200 MHz e 13,6 GHz³⁰. Essas diferenças nas respostas dielétricas das linhagens celulares MCF-7 e MCF-10A podem ser exploradas para separá-las em tempo de execução e podem levar ao desenvolvimento de dispositivos personalizados de diagnóstico em estágio inicial.

Neste artigo, simulamos a classificação controlada de células de câncer de mama não metastático (MCF-7) e células epiteliais de mama não tumorais (MCF-10A) usando dieletroforese AC. A região de mudança no campo elétrico influencia a classificação dentro do chip microfluídico. A técnica proposta é fácil de implementar e permite a integração da técnica de classificação em vários layouts de chips microfluídicos. Simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD) foram realizadas para estudar a separação de células de câncer de mama não metastáticas e células epiteliais de mama não tumorais, variando a condutividade do meio fluido em que as células estavam suspensas. Nessas simulações, mostra-se que, mantendo a condutividade constante e alterando a frequência aplicada, a separação de células cancerígenas e células saudáveis pode ser controlada.