Микрофлюидное устройство для разделения неметастатических (MCF-7) и неопухолевых (MCF-10A) клеток рака молочной железы с использованием диэлектрофореза AC

Злокачественная опухоль, которая развивается в ткани молочной железы и вокруг нее, является частой причиной рака молочной железы у женщин во всем мире, вызывая критическую проблему со здоровьем¹. Опухоли молочной железы до метастазирования можно лечить хирургическим путем, если они обнаружены на ранней стадии, но если их игнорировать, они могут иметь серьезные последствия для жизни пациента, распространяясь на легкие, мозг и кости. Методы лечения, предлагаемые на более поздних стадиях, такие как лучевая и химическая терапия, имеют серьезные побочные эффекты². Недавние исследования показали, что ранняя диагностика рака молочной железы снижает смертность на 60%³. Следовательно, крайне важно работать над персонализированными методами раннего обнаружения. С этой целью исследователи, работающие в различных областях науки и техники, использовали микрофлюидику для разработки устройств для ранней диагностики рака молочной железы⁴. Эти методы включают микрохроматографию клеточного сродства, магнитно-активированные сортировщики микроклеточных клеток, захват и разделение раковых клеток на основе размера и диэлектрофорез на кристалле (DEP)^5,6. Эти микрофлюидные методы, описанные в литературе, позволяют проводить точные манипуляции с клетками, мониторинг в режиме реального времени и сортировку четко определенных образцов, которые служат промежуточным этапом во многих диагностических и терапевтических приложениях⁵. Интеграция этих механизмов сортировки с микрофлюидикой обеспечивает гибкое и надежное манипулирование^{клетками-мишенями} 7,8,9,10. Одним из основных преимуществ такой интеграции является возможность работы с образцами жидкости в нано-микролитрных объемах, а также возможность манипулировать электрическими свойствами образца жидкости. Регулируя проводимость суспендирующей жидкости внутри микрофлюидных устройств, биологические клетки могут быть отсортированы на основе их размеров и различий в их диэлектрических свойствах^11,12.

Среди этих методов часто предпочтительным является микросхема DEP, поскольку это метод сортировки клеток без меток, который использует электрические свойства биологических образцов. Сообщалось, что DEP манипулирует биообразцами, такими как ДНК¹³, РНК¹⁴, белки¹⁵, бактерии¹⁶, клетки крови¹⁷, циркулирующие опухолевые клетки (CTC)¹⁸ и стволовые клетки¹⁹. Микрофлюидные устройства, использующие DEP для сортировки биологических образцов, широко освещались в литературе²⁰. Сообщалось о микрофлюидных (rDEP) устройствах DEP на основе резервуаров для сортировки жизнеспособных и нежизнеспособных дрожжевых клеток, которые защищают клетки от неблагоприятного воздействия электрохимических^{реакций 21,22}. Piacentini et al. сообщили о кастелированном сортировщике микрофлюидных клеток, который отделял эритроциты от тромбоцитов с эффективностью 97%²³. Сообщалось также, что встроенные устройства DEP с асимметричными отверстиями и встроенными электродами сортируют жизнеспособные и нежизнеспособные ячейки²⁴. Valero and Demierre et al. модифицировали кастелированный сортировщик микрофлюидных клеток, введя два массива микроэлектродов по обе стороны канала^25,26. Это помогло сфокусировать клетки в центре канала. Zeynep et al. представили микрофлюидное устройство на основе DEP для отделения и концентрирования клеток рака молочной железы MCF7 из лейкоцитов²⁷. Они сообщили об эффективности извлечения клеток MCF7 из лейкоцитов между 74%-98% с частотой 1 МГц и приложенным напряжением в пределах 10-12 В_pp. Дополнительная таблица 1 представляет собой качественное и количественное сравнение микрофлюидных сортировочных устройств на основе DEP на основе их конструкции, конфигурации электродов и рабочих параметров (применяемая частота и напряжение).

Совсем недавно исследователи попытались измерить различия в диэлектрическом поведении эпителиальных клеток молочной железы (MCF-10A) и неметастатических клеток рака молочной железы (MCF-7) внутри микрофлюидного чипа^28,29. Jithin et al. также охарактеризовали диэлектрические реакции различных линий раковых клеток с использованием метода коаксиального зонда с открытым концом с частотами от 200 МГц до 13,6 ГГц³⁰. Эти различия в диэлектрических реакциях клеточных линий MCF-7 и MCF-10A могут быть использованы для их разделения во время выполнения и могут привести к разработке персонализированных диагностических устройств на ранней стадии.

В этой статье мы моделируем контролируемую сортировку неметастатических клеток рака молочной железы (MCF-7) и неопухолевых эпителиальных клеток молочной железы (MCF-10A) с использованием диэлектрофореза AC. Область изменения электрического поля влияет на сортировку внутри микрофлюидного чипа. Предлагаемая методика проста в реализации и позволяет интегрировать технику сортировки в различные микрофлюидные макеты чипов. Моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) было проведено для изучения разделения неметастатических клеток рака молочной железы и неопухолевых эпителиальных клеток молочной железы путем изменения проводимости жидкой среды, в которой были взвешены клетки. В этих симуляциях показано, что, сохраняя постоянную проводимость и изменяя применяемую частоту, можно контролировать разделение раковых клеток и здоровых клеток.