Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
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
Automatic Translation
1, 2, 3, 4,5
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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

  1. افتح برنامج الفيزياء المتعددة وحدد نموذج فارغ. انقر بزر الماوس الأيمن فوق التعريفات العالمية وحدد المعلمات. قم باستيراد المعلمات الواردة في الجدول 1 إلى تعريفات عامة كملف نصي أو أدخل القيم بشكل فردي.
  2. حدد إضافة مكون من علامة التبويب الصفحة الرئيسية وأضف مكون 2D. انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة واستورد ملف النموذج بالنقر المزدوج فوق الملف.
  3. اختر مادة فارغة واستخدم خصائص المواد من الجدول 1.
  4. حدد إضافة فيزياء من علامة التبويب الصفحة الرئيسية، واكتب AC/DC. تحت عقدة AC / DC ، اختر التيارات الكهربائية كفيزياء تحت العقدة الفرعية للمجالات والتيارات الكهربائية.
  5. انقر بزر الماوس الأيمن على التيار الكهربائي واختر العقد الفرعية للحفاظ على التيار والعزل والجهد الكهربائي لعزل جدران القناة لتعيين إمكانات للأقطاب الكهربائية.
  6. حدد إضافة فيزياء من علامة التبويب الصفحة الرئيسية، وضمن عقدة تدفق السوائل، اختر فيزياء التدفق الزاحف ضمن العقدة الفرعية للتدفق أحادي الطور. انقر بزر الماوس الأيمن فوق التدفق أحادي الطور وقم بعرض حدود الشريحة كجدران باستخدام عقدة الجدار الفرعية.
  7. انقر بزر الماوس الأيمن على Single-Phase Flow وأضف عقدتين فرعيتين للمدخل وعقدة فرعية لمنفذ واحد.
  8. قم بتعيين المداخل باستخدام العقدة الفرعية للمدخل واستخدم العادي في سرعة التدفق كشرط الحدود. قم بتعيين المنفذ باستخدام العقدة الفرعية للمنفذ.
  9. حدد إضافة فيزياء من علامة التبويب الصفحة الرئيسية، وضمن عقدة تدفق السوائل، اختر فيزياء تدفق تتبع الجسيمات ضمن العقدة الفرعية لتتبع الجسيمات.
  10. انقر بزر الماوس الأيمن فوق عقدة تتبع الجسيمات وأضف جدار العقد الفرعية ، والعقد الفرعية لخاصية الجسيمات ، وعقدتين فرعيتين للمدخل ، وعقدة فرعية واحدة للمخرج ، وعقدتين فرعيتين لقوة الرحلان الكهربائي ، وعقدة فرعية واحدة لقوة السحب.
    1. قم بتعيين خصائص الجسيمات لكل من خلايا MCF-7 و MCF-10A باستخدام العقدة الفرعية خصائص الجسيمات . اختر خصائص الجسيمات من المعلمات ضمن قسم التعريف العام .
    2. أضف العقدة الفرعية Drag Force لتعيين القوة الكهربية لكلا النوعين من الخلايا.
    3. أضف خصائص الجسيمات في هذه الحالة من قسم المعلمة. أضف عقدة شل الفرعية إلى خلايا الثدييات النموذجية.
  11. من علامة تبويب الصفحة الرئيسية، اختر إضافة شبكة وحدد شبكة دقيقة. اختر إنشاء شبكة من علامة تبويب الصفحة الرئيسية لإنشاء شبكة.
  12. من علامة التبويب الرئيسية ، انقر فوق إضافة دراسة لإضافة ثلاث خطوات دراسية. تهدف خطوة الدراسة 1 إلى محاكاة استجابة التردد؛ استخدم عقدة فرعية لمجال التردد .
    1. لمحاكاة التدفق الزاحف، اختر عقدة دراسة ثابتة . أضف خطوتين معتمدتين على الوقت لمحاكاة الظروف بقوة ثنائية الكهروبائى وبدون قوة ثنائية الإلكتروبوت.
    2. بالنسبة لحالة عدم وجود ثنائي الرحلان ، اختر اختيار الفيزياء والمتغيرات ، وحدد المربع بعنوان تعديل تكوين النموذج لخطوة الدراسة ، وقم بتعطيل خطوة ثنائي الرحلان الكهربائي. لظروف dielectrophoretic ، لا تعطيل. احفظ الملف واضغط على حساب لتشغيل المحاكاة.
      ملاحظة: تحتوي رقاقة الموائع الدقيقة المصممة لفرز خلايا سرطان الثدي غير النقيلية (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) على مدخلين منفصلين لتدفق خليط الخلايا وتركيز التدفق الهيدروديناميكي ، على التوالي ، بعرض 20 ميكرومتر و 40 ميكرومتر ، على التوالي ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1 والشكل التكميلي 2.
    3. قم بتعيين التردد (f0) تحت العقدة الفرعية لمجال التردد والجهد باستخدام العقدة الفرعية للجهد الكهربائي إلى أقطاب المسوي (295 ميكرومتر في العرض) الموضوعة على طول الجدار الجانبي العلوي لغرفة الفرز. في المخرج ، استخدم حالة جدار "التجميد" لتصور الجسيمات التي تم فرزها.

2. النموذج الرياضي والتحليل الحسابي

  1. تحقق من معلمات التشغيل لفصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلي والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي داخل جهاز الموائع الدقيقة عن طريق إعداد دراسة ديناميكية السوائل الحسابية (CFD).
    ملاحظة: تم استخدام برنامج الفيزياء المتعددة (AC / DC و Microfluidics ووحدات تتبع الجسيمات) لهذا الغرض. يتم إعطاء المعادلات الحاكمة والخلفية النظرية بالتفصيل في الملف التكميلي 1. تم اختبار النموذج باستخدام الخصائص العازلة لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) المبلغ عنها في الأدبيات31،32 ، والتي تم تلخيصها في الجدول 1.
  2. قم بإجراء محاكاة CFD عن طريق إدخال خطوط خلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF7) وظهارة الثدي غير الورمية (MCF-10A) بنسبة 1: 1 عند مدخل خليط الخلية.
    1. في البداية ، قم بإجراء دراسة استقلالية الشبكة لتحسين حجم الشبكة لعمليات المحاكاة33.
      ملاحظة: تم إجراء دراسة استقلالية الشبكة لإيجاد أفضل حل لمعلمات التشغيل. تم اختيار مجموعة من خمسة أحجام شبكة مختلفة لتحديد أفضل حجم ممكن للعنصر لتقارب المحلول. لوحظ أنه عندما كان العدد الإجمالي للعناصر التي تحدد الشبكة 635 (شبكة خشنة) ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 3 أ ، كانت كفاءة الفرز في أدنى مستوياتها ، مع انتقال بعض خلايا MCF7 إلى المخرج السفلي ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 3 ب. عندما تم زيادة حجم الشبكة إلى غرامة ، زاد عدد العناصر التي تحدد الشبكة أيضا إلى 2,288. كانت كفاءة الفرز في أقصى حد لها في هذه الحالة ، مع تحرك كل من خلايا MCF7 و MCF-10A نحو منافذ كل منها. كما تمت محاكاة الشبكة الدقيقة ، مع زيادة عدد العناصر التي تحدد الشبكة إلى 3,188. ظلت كفاءة الفرز غير متأثرة بعد هذه النقطة. وبالتالي ، يمكننا القول بأمان أن حجم الشبكة الدقيقة يعمل بشكل أفضل في حالتنا.
    2. حل مجموعتين من دراسات CFD.
    3. بالنسبة للمجموعة الأولى ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق Study 1 وأضف العقدة الفرعية Parametric Sweep . اضغط على علامة + لإضافة الموصلية المتوسطة السائلة "σم" كمتغير الاجتياح. إجراء دراسة مسح بارامترية للموصلية المتوسطة للسوائل σم تتراوح من 0.01 S / m إلى 2.5 S / m ، مع الحفاظ على التردد المطبق ، f (Hz) ، ثابتا عند قيمة 800 kHz.
    4. بالنسبة للمجموعة الثانية ، قم بإجراء دراسة المسح البارامتري عن طريق تغيير تردد التيار المتردد المطبق من 100 كيلو هرتز إلى 100 ميجاهرتز مع الحفاظ على موصلية وسط السائل ، σم ، ثابتة عند 0.4 S / m لكل حالة. تم اختيار قيمة σm هذه بناء على نتائج دراسة CFD الأولى حيث لوحظ الحد الأقصى للفصل بين MCF-7 و MCF-10A عند هذه القيمة.
    5. تعطى قوة قوة الرحلان الكهربائي (DEP) ، FDEP (-) ، التي تمارس على جسيم كروي عازل في وسط موصل بواسطة المعادلة 1T34:
      افديب Equation 1 [1]
      استخدم المعادلة 1 تحت العقدة الفرعية للقوة الكهروضوئية. في المعادلة 1 ، يظهر r نصف قطر الجسيم الذي يتم تطبيق FDEPعليه ؛ يعرف K (-) باسم عامل كلاوسيوس موسوتي. εم (-) يوضح السماحية العازلة للوسط ؛ و E (V / m) هو جذر متوسط القيمة التربيعية للمجال الكهربائي.
    6. استخدم المعادلة 2 لجسيم كروي تحت العقدة الفرعية للقوة الكهروضوئية.
      Equation 2[2]
      في المعادلة 2 ، Equation 3 (-) يوضح السماحية المعقدة للجسيم الذي يتم تطبيق قوة DEP عليه ؛ Equation 4 (-) يوضح السماحية المعقدة للسائل المحيط بالجسيم. السماحية Equation 3 المعقدة ويتم Equation 4 تعريفها على النحو التالي35:
    7. استخدم المعادلة 3 لجسيم كروي تحت العقدة الفرعية للقوة الكهروبية:
      Equation 6[3]
      في المعادلة 3 ، يوضح εp (-) الجزء الحقيقي من السماحية المعقدة للجسيم ؛ εم (-) يظهر الجزء الحقيقي من السماحية المعقدة للسائل المحيط بالجسيم ؛ σp (S / m) يوضح موصلية الجسيمات ؛ يوضح σ m (S /m ) موصلية الوسط المحيط بالجسيم ؛ و ω (هرتز) هو تردد المجال الكهربائي المطبق.
      ملاحظة: تحدد علامة Re(K) قطبية FDEP. إذا كانت علامة Re (K) سالبة ، فإن الجسيم يتعرض لقوة ثنائية كهربائية سلبية (nDEP) ؛ على عكس ذلك ، إذا كانت علامة Re (K) موجبة ، فإنها تعني قوة ثنائية كهربائية موجبة (pDEP). بالنسبة لعامل Clausius-Mossotti (K) ، يقع الاختلاف في نطاق -1 إلى 1.
  3. استخدم صورة معدلة من المعادلة 3 لنمذجة الخلايا البيولوجية مثل خلايا الثدييات، وهي أكثر تعقيدا ولها بنية متعددة الطبقات.
    ك (Equation 7) = Equation 8 [4]
    في المعادلة 4 ، (-) يتضمن كلا من السماحية المعقدة للسيتوبلازم ، (-) ، والسماحية المعقدة لغشاء الخلية ، Equation 9 (-) ، Equation 10 Equation 11 وتعطى على النحو التالي:36
  4. استخدم المعادلة 5 لحل ""Equation 12:
    Equation 13[5]
    في المعادلة 5 ، يوضح R cyto (m) و Rmem (m) نصف قطر سيتوبلازم الخلية وغشاء الخلية ، على التوالي.
  5. بعد ذلك ، استخدم المعادلة 4 لرسم Re (K) كدالة للمجال الكهربائي المطبق لكل من السرطان والخلايا السليمة. احسب الجزء الحقيقي من عامل كلاوسيوس-موسوتي (CM) ، Re (K) ، لتحديد القوة ثنائية الكهروبلان (DEP) التي يتعرض لها الجسيم.
  6. انقر بزر الماوس الأيمن فوق عقدة النتائج ، وأضف العقدة الفرعية لتقييم الجسيمات ، وفي قسم التعبير ، اكتب fpt.deff1.K لرسم عامل CM للجسيم 1 و fpt.deff2.K للجسيم 2.
    ملاحظة: يمكن عرض جميع خطوات البروتوكول المدرجة في النص الرئيسي في فيديو البروتوكول (فيديو 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 الكهربائي ، يجب أن تكون عوامل K الخاصة بهم متميزة عن طريق الحفاظ على التردد المطبق ثابتا37,38. تم تحقيق القياس الكمي للاستجابات العازلة لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي تحت مجال كهربائي مطبق وحساب عامل "K" كدالة للتردد المطبق لكلا خطي الخلية باستخدام المعادلة 4. تم إنشاء النتائج الموضحة في الشكل 1 من خلال الحفاظ على جميع المعلمات العازلة لخلايا سرطان الثدي غير النقيلية والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي ثابتة بينما تم تغيير التردد المطبق للمجال الكهربائي لثلاث قيم مختلفة من الموصلية لوسائط تعليق الخلية ، σم.

كما هو موضح في الشكل 1 ، في كل حالة ، تكون قيمة K ضمن نطاق -1 إلى 1 ، بما يتماشى مع الدراسات السابقة39,40. ومع ذلك ، فإن مخطط الحقيقي (K) مقابل يتغير التردد لكل من خلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) وفقا لقيمة الموصلية المتوسطة (σم). تتفق النتائج الموضحة في الشكل 1 مع دراسة حديثة تم فيها تحديد تأثير σم على Re (K) لخلايا MCF-741.

Figure 1
الشكل 1: عامل كلاوسيوس موسوتي. الجزء الحقيقي من عامل كلاوسيوس موسوتي ، K ، مرسوم كدالة للتردد ، لخلايا MCF-7 و MCF-10A المعلقة في وسط يتميز بموصلية (A) σم = 0.01 S / m ؛ (ب) σ م = 0.4 ق/م ؛ (ج) σ م = 1.2 ق/م . الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تم رسم الشكل 1 باستخدام أداة MyDEP لثلاث قيم مختلفة σm ، مع الحفاظ على تردد التيار المتردد المطبق وتغييره من 100 كيلو هرتز إلى 100 ميجا هرتز. في البداية ، تم اختيار σ m ليكون 0.01 S /m ، وتراوح تردد التيار المتردد المطبق بين 100 كيلو هرتز و 100 ميجاهرتز ، كما هو موضح في الشكل 1A. عند تردد تيار متردد مطبق يبلغ 100 كيلو هرتز ، تبين أن قيمة Re (K) لخلايا MCF-10A هي 0.82 ، مما يعني أنها تعاني من رحلان كهربائي إيجابي (pDEP) ويجب أن تتحرك نحو منطقة ذات شدة مجال كهربائي عالية. وبالمثل ، فإن خلايا MCF-7 عند 100 كيلو هرتز تواجه أيضا pDEP بقيمة Re (K) تبلغ 0.76. تمت زيادة التردد بخطوات 100 كيلو هرتز ، وظلت قيمة عامل CM لكلا النوعين من الخلايا على الجانب الإيجابي طوال طيف التردد المطبق. من خلال الحفاظ على جميع معلمات التشغيل الأخرى ثابتة ، تمت زيادة الموصلية المتوسطة إلى 0.4 S / m لرسم Re (K) ، كما هو موضح في الشكل 1B. أظهر MCF-10A و MCF-7 سلوك ثنائي الكهربائي السلبي (nDEP) مع قيم Re (k) -0.46 و -0.31 ، على التوالي ، عند 100 كيلو هرتز. مع زيادة التردد إلى 0.8 ميجاهرتز ، تغيرت استجابة DEP لخلايا MCF-10 ، واختبروا pDEP بقيمة Re (K) تبلغ 0.014. يحدث هذا السلوك لخلايا MCF-7 بسبب استقطاب Maxwell-Wagner عند الواجهة بين غشاء الخلية ووسط تعليق الخلية المحيط39,41. يعرف التردد الذي لوحظ فيه هذا التغيير في استجابة DEP بتردد التقاطع ، كما هو موضح في الشكل 1A42,22. خلايا MCF-7 ، في هذه الحالة ، شهدت nDEP. تمت زيادة التردد حتى 100 ميجاهرتز ، لكن كلا النوعين من الخلايا لم يغيروا سلوك DEP الخاص بهم ، وبالتالي ، ظلوا غير متأثرين بالاختلافات في تردد المجال الكهربائي المطبق. عندما تم زيادة الموصلية إلى 1.2 S / m ، شهدت خلايا MCF-10A و MCF-7 nDEP عند 100 كيلو هرتز. كانت قيم Re (k) لخلايا MCF-10A و MCF-7 ، في هذه الحالة ، -0.49 و -0.43 ، على التوالي ، كما هو موضح في الشكل 1C. مع زيادة التردد إلى 0.8 ميجاهرتز ، لم تتغير استجابة DEP للخلايا ، حيث استمرت في تجربة nDEP. يتفق سلوك DEP السلبي لكل من خطوط الخلايا MCF-7 و MCF-10A عند القيم العالية للتوصيل المتوسط لتعليق الخلايا مع الدراسات المبلغ عنها سابقا39،43،44. يخضع سلوك DEP للخلايا عند ترددات أعلى من تردد التقاطع الأول للتفاعل بين الموصلية السيتوبلازمية ومحلول التعليق45,46. من ناحية أخرى ، عند ترددات أقل من تردد التقاطع الأول ، يتم تحديد الاستجابة العازلة للخلايا من خلال التفاعل بين موصلية غشاء الخلية ووسط تعليق الخلية.

بناء على النتائج الموضحة في الشكل 1 ، تم إعداد محاكاة COMSOL. في البداية ، تم قياس شدة المجال الكهربائي باستخدام برنامج المحاكاة هذا ، كما هو موضح في الشكل 2. يمكن ملاحظة أن الحد الأقصى لحجم المجال الكهربائي الكلي الناتج عن قطبين كهربائيين موضوعين جنبا إلى جنب على الجدار العلوي لقناة الفرز يقعان بالقرب من حواف القطب. توضح الأسهم اتجاه المجال الكهربي.

Figure 2
الشكل 2: شدة المجال الكهربي. المجال الكهربائي الناتج عن قطبين كهربائيين موضوعين جنبا إلى جنب. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تم إعداد عمليات المحاكاة لفرز خلايا MCF-7 و MCF-10A عن طريق الحفاظ على تردد التيار المتردد المطبق ثابتا عند 0.8 ميجاهرتز (تردد متقاطع) وتغيير قيمة σم. تم اختيار ثلاث قيم ل σم وفقا لمخططات Re (K) الموضحة في الشكل 1. في البداية، عندما كان معامل σ m يساوي 0.01 S/m، تعرض كلا النوعين من الخلايا لمعامل إزالة الانحراف الإيجابي، وتحركا نحو منطقة شدة المجال الكهربي العالية، وانتقلا من المخرج العلوي، كما هو موضح في الشكل 3A. كانت الموصلية السيتوبلازمية σالسيتوبلازم لكلا خطي الخلية أعلى من الموصلية المتوسطة σm في هذه الحالة بالذات ، مما أجبر كلا خطي الخلية على الاقتراب من الأقطاب الكهربائية في الجزء العلوي من قناة الموائع الدقيقة47. تغيرت استجابة DEP لخلايا MCF-10A ، وواجهت DEP سلبيا ، عندما تمت زيادة σ m إلى 0.4 S /m مع تردد مطبق ثابت عند 0.8 MHz. يوضح الشكل 3B أن خلايا MCF-10A تنتقل إلى المخرج العلوي ، بينما تنتقل خلايا MCF-7 إلى المخرج السفلي. سبب هذا الفصل هو أن خلايا MCF-7 أكثر استقطابا مقارنة ب MCF-10A حيث أن الموصليةالسيتوبلازمية σ السيتوبلازم أكبر من الموصلية المتوسطة σم ، كما هو موضح في فيديو فرز الخلايا (فيديو 2).

Figure 3
الشكل 3: تردد ثابت لفرز الخلايا. محاكاة MCF-7 وفصل الخلايا السليمة بمرور الوقت بواسطة DEP في جهاز الموائع الدقيقة المصمم. MCF-7 وفصل الخلايا السليمة عند ثلاث قيم مختلفة من الموصلية للوسط المعلق: (A) 0.01 S / m. (ب) 0.4 ثانية/م؛ ج: 1.2 ق/م. في كل حالة ، كان التردد المطبق 0.8 ميجاهرتز ، وكان الجهد المطبق Vpp 1.5 فولت ، وكانت سرعة التدفق عند مدخل الحقن 184 ميكرومتر / ثانية و 853 ميكرومتر / ثانية عند مدخل تركيز التدفق. في المحاكاة ، يتم تمثيل خلايا MCF-7 وخلايا MCF-10A بدوائر زرقاء وحمراء ، على التوالي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مع زيادة الموصلية المتوسطة إلى 1.2 S / m ، أصبحت كل من خلايا MCF-7 و MCF-10A أقل قابلية للاستقطاب من الوسط المحيط بها بسبب انخفاض الموصلية السيتوبلازمية σ قيمالسيتوبلازم . وبالتالي ، فقد عانوا من nDEP وابتعدوا عن مناطق المجال الكهربائي العالي ، كما هو موضح في الشكل 3C.

توضح هذه النتائج أن موصلية الوسط تلعب دورا مهما في فصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلي MCF-7 عن الخلايا الظهارية للثدي غير الورمية MCF-10A بناء على DEP. علاوة على ذلك ، كما هو موضح في الشكل 3 ب ، لتحقيق فصل فعال ، يجب تعديل الموصلية المتوسطة بطريقة تواجه فيها الخلايا إما pDEP أو nDEP ، بناء على خصائص العزل الكهربائي لكل منها.

أخيرا ، تم فحص تأثير القوة الثنائية الكهربية المطبقة ، F DEP ، على سلوك الفرز لكلا خطي الخلية من خلال الحفاظ على الموصلية المتوسطة ثابتة عند 0.4 S / m. FDEP هي دالة لتردد المجال الكهربائي المطبق48,49 ، ومع تغير تردد المجال الكهربائي المطبق ، تغير الخلايا سلوك DEP الخاص بها. بدأت عمليات المحاكاة بضبط التردد عند 100 كيلو هرتز ، ولوحظ أن كلا من خطوط الخلايا MCF-10A و MCF-7 شهدت nDEP وابتعدت عن منطقة المجال الكهربائي العالي نحو المخرج السفلي ، كما هو موضح في الشكل 4A. مع زيادة التردد ، ظل سلوك DEP لكلا خطي الخلية دون تغيير حتى 0.8 ميجاهرتز ، عندما غير MCF-10A سلوك DEP الخاص بهم وعبر إلى منطقة pDEP. هذه هي النقطة ذات الحد الأقصى للفصل بين خلايا استجابة DEP قيد التحقيق والحد الأقصى لكفاءة الفرز ، كما هو موضح في الشكل 4B. عندما تمت زيادة التردد إلى 100 ميجاهرتز ، لوحظ أن كلا خطي الخلية تعرضا ل pDEP وانتقلا نحو المخرج العلوي ، كما هو موضح في الشكل 4C. عند ترددات أعلى من 0.8 ميجاهرتز ، بدأت الخلايا في شل الحركة عند جدران القناة. يمكن أن يؤدي تجميد الخلايا على جدران القناة إلى فقدان الخلايا أثناء عملية الفرز ، والتي بدورها لها تأثير على الكفاءة الكلية للجهاز. يمكن أن يتسبب تأثير هذه القوى أيضا في خسارة خطيرة في صلاحية الخلية إذا تعرضت لفترة أطول من الزمن. قام Yang et al. بتحديد تأثير قوى DEP على خط خلية Listeria monocytogenes عن طريق تعريضها لمجال كهربائي تيار متردد يبلغ 5 ميجاهرتز وذروة إلى ذروة الجهد 20 فولتPP50. أشارت نتائجهم إلى فقدان خلايا قابل للحياة بنسبة 56٪ -89٪ عند الاحتفاظ بها تحت تأثير قوة DEP لمدة 4 ساعات. وبالمثل ، تم الإبلاغ أيضا عن أن قوى DEP لها تأثير على حركة الخلايا عند تعليقها في وسط قابل للاستقطاب وتم استخدامها لشل حركة الخلايا. أبلغ Etihad et al. عن جهاز موائع دقيقة مع أقطاب كهربائية متداخلة (IDEs) تستخدم تردد تيار متردد يبلغ 1 ميجاهرتز و 20 فولتPP لشل حركة خلايا الخميرة51. لقد أظهروا أن تجميد خلايا الخميرة الخاصة بهم يعتمد على نسبة العرض إلى الارتفاع للتباعد بين IDEs والجهد المطبق. أدت الزيادة في نسبة العرض إلى الارتفاع لتباعد IDE إلى انخفاض حاد في تجميد الخلايا ، ومن أجل شل حركة الخلايا في الأجهزة ذات التباعد الأكبر بين IDEs ، كانت هناك حاجة إلى VPP أعلى. تجميد الخلايا هو تطبيق مرغوب فيه عندما يطلب من الخلايا أن تكون محاصرة للتحليل أو النمو. أظهرت النتائج السابقة بوضوح أن تردد التيار المتردد والجهد المطبقين لهما تأثير على تثبيت الخلايا. في التطبيقات التي يكون فيها الفرز أو الفحص عالي الإنتاجية هو النتيجة المرجوة ، يؤدي تجميد الخلايا إلى فقدان الخلايا ويقلل من كفاءة إخراج الجهاز.

من أجل تحديد تأثير التردد والجهد المطبقين على تجميد الخلية ، تم تشغيل مجموعة من عمليات المحاكاة من نطاق تردد الكيلو هرتز إلى ميغا هرتز بجهد تطبيقي ثابت يبلغ 1.5 فولتPP. تظهر النتائج في الشكل التكميلي S4. وكشفت النتائج أنه عند الترددات في نطاق كيلوهرتز، كان تجميد الخلايا عند جدران القناة أقل بكثير مقارنة بالترددات في نطاق ميغاهيرتز. وبما أن قوة DEP تتناسب طرديا مع تردد التيار المتردد المطبق، يمكننا استنتاج أنه عند قوة DEP العالية، يكون تثبيت الخلايا أكثر وضوحا. بالنسبة لجهاز الموائع الدقيقة هذا ، سيكون هناك فقدان للخلايا أثناء فرز خلايا MCF7 و MCF-10A حيث يلزم العمل بترددات أكبر من 0.8 ميجاهرتز. تم التحقيق بشكل أكبر في تأثير التوزيع العشوائي للخلايا عند المدخل عن طريق اختيار شرط حدود التوزيع العشوائي. لوحظ المزيد من تفاعلات جدار القناة الخلوية في هذه الحالة ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 5.

Figure 4
الشكل 4: فرز الخلايا بموصلية متوسطة ثابتة. تأثير تردد مجال التيار المتردد المطبق على فصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلية (MCF-7) والخلايا الظهارية غير الورمية للثدي (MCF-10A) في جهاز الموائع الدقيقة المحاكاة. (أ) f = 100 كيلو هرتز ؛ (B) f = 0.8 MHz ؛ (C) f = 100 ميغاهيرتز. تم تثبيت الموصلية المتوسطة للسائل عند σم = 0.4 S / m. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

خصائص عازلة للمحاكاة السيتوبلازم ε σالسيتوبلازم
(ق/م)		 غشاء ε غشاء σ
(ق/م)
إم سي إف-7 50 0.8 11 6× 10-6
MCF-10A 100 0.1 11 6
إف 0 800 [كيلو هرتز] 1.2 × 103 هرتز تردد المجال الكهربائي
sigma_f 0.4 [ثانية / م] 0.8 ثانية / م الموصلية المتوسطة للسوائل
epsilon_f 80 80 السماحية النسبية للسوائل
rho_f 1000 [كجم / م3] 1000 كجم/م³ كثافة السوائل
mu_f 1 × 10-3 [باسكال · ثانية] 0.001 باسكال· ثانية اللزوجة الديناميكية للسوائل
rho_p 1050 [كجم / م3] 1050 كجم/م³ كثافة الجسيمات
موانئ دبي 1 17 [ميكرومتر] 1.7 × 10-5 م قطر الجسيمات
موانئ دبي2 16 [أم] 1.6 × 10-5 م قطر الجسيمات
sigma_p1 0.8 [ثانية / م] 0.6 ثانية / م الموصلية الجسيمات
sigma_p2 0.1 [ثانية / م] 1.1 ثانية / م الموصلية الجسيمات
epsilon_p1 50 55 السماحية النسبية الصحية
epsilon_p2 100 65 السماحية النسبية للسرطان
sigma_s1 6 × 10-6 [ثانية / م] 6 × 10-6 ثانية / م الموصلية الكهربائية شل
sigma_s2 6 [ق / م] 6 ثانية / م الموصلية الكهربائية شل
epsilon_s1 11 11 شل السماحية النسبية
epsilon_s2 11 11 شل السماحية النسبية
th_s1 7 [نانومتر] 7 × 10-9 م سمك قذيفة
th_s2 7 [نانومتر] 7 × 10-9 م سمك قذيفة

الجدول 1: معلمات التشغيل. خصائص عازلة من MCF-7 و MCF-10A

فيديو 1: فيديو يوضح خطوات البروتوكول. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

فيديو 2: فرز الخلايا الفيديو. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

الملف التكميلي 1: المعادلات الحاكمة والخلفية النظرية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 1: تصميم الجهاز والمعلمات. تصميم جهاز الموائع الدقيقة يسلط الضوء على أجزاء مختلفة من الجهاز. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: الفجوة بين الأقطاب الكهربائية. الفجوة بين قطبين كهربائيين رقعة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: دراسة استقلالية الشبكة. دراسة استقلالية الشبكة التي تصور تأثير أحجام الشبكات المختلفة على فرز خلايا MCF-7 و MCF-10A. (أ) أحجام الشبكات المختلفة لجهاز الموائع الدقيقة ، والتي تصور عدد العناصر لكل شبكة. يزداد عدد العناصر التي تشكل الشبكة من شبكة خشنة إلى شبكة أدق. (ب) فرز خلايا MCF7 و MCF-10A على أحجام شبكات مختلفة عن طريق الحفاظ على جميع معلمات التشغيل الأخرى ثابتة. تنتج أحجام الشبكات الدقيقة والدقيقة أفضل النتائج للفرز. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 4: اختبار تجميد الخلية والتوزيع العشوائي. عمليات محاكاة أجريت للترددات بين 10 كيلو هرتز و 6 ميغاهيرتز للتحقق من تأثير قوة DEP على تثبيت الخلايا. (أ) عند f = 10 كيلو هرتز ، لم يلاحظ أي فرز وتجميد للخلية. (ب) عند f = 200 كيلو هرتز ، لم يلاحظ أي فرز أو تثبيت خلوي. (C) عند f = 0.8 MHz ، يتم ملاحظة الفرز وتثبيت الخلايا عند جدران المخرج. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 5: التوزيع العشوائي. جزيئات موزعة عشوائيا عند مدخل الشريحة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الجدول التكميلي 1: مقارنة بين مختلف أجهزة فرز الموائع الدقيقة القائمة على DEP. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 ومحاكاة جهاز الموائع الدقيقة AC-dielectrophoretic للفصل المستمر لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير الورمية للثدي (MCF-10A) بناء على خصائصها العازلة23.

يتم تشغيل الجهاز عن طريق تطبيق مجال كهربائي AC عبر مجموعة من اثنين من الأقطاب الكهربائية الدقيقة المضمنة في قناة فرز الموائع الدقيقة الواحدة لفصل خلايا MCF-7 و MCF-10A بناء على خصائصها العازلة. تمت محاكاة فعالية الفصل للجهاز حسابيا لقيم مختلفة من الموصلية المتوسطة ولمجموعة من ترددات التيار المتردد المطبقة. وجد أن قيم تردد التيار المتردد والتوصيل الإعلامي المطبقة المثلى هي 0.8 MHz و 0.4 S / m ، على التوالي. تم استخدام جهد منخفض يبلغ 1.5 فولتp-p طوال عمليات المحاكاة. نطاق تردد التيار المتردد المطبق والجهد المطبق يمكن مقارنتهما بالأدبيات المبلغ عنها سابقا23,47. عند الترددات التي تزيد عن 1 ميجاهرتز ، لوحظ تأثير تجميد الخلية ، والذي يجب أخذه في الاعتبار لتصميمات الأجهزة وتصنيعها في المستقبل. ندرج تجميد الخلية هذا كقيد لطريقتنا في سياق تطبيقات فرز الخلايا. نعتقد أنه يمكن استخدام تجميد الخلايا بترددات أعلى لتمايز الخلايا كما ورد سابقا في الأدبيات54 ، مما يعطي هذا التصميم المقترح اتجاها جديدا. سيكون هذا التطبيق ذا أهمية كبيرة للباحثين في البيولوجيا التركيبية.

تتضمن الخطوات الحاسمة للتنفيذ الصحيح لهذا البروتوكول اختيار العقد الفيزيائية والعقد الفرعية المناسبة (الخطوات 1.5-1.9). تشكل هذه الخطوات أساس بروتوكول المحاكاة بأكمله وتساعد على اختيار قيم المعلمات لكل نوع خلية والقوة المطبقة والجهد المطبق. خطوة أخرى حاسمة هي اختيار الموصلية المتوسطة للسوائل الصحيحة والتردد المطبق. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تشغيل خطوة استكشاف الأخطاء وإصلاحها في المسح البارامتري. يمكن أن يساعد المسح البارامتري لهاتين المعلمتين في تحديد القيم المثلى لأي عمليات محاكاة مستقبلية. أخيرا ، تعد دراسة استقلالية الشبكة أمرا بالغ الأهمية أيضا في سياق اختيار حجم الشبكة المناسب لأي عمليات محاكاة مستقبلية. يوصى بشدة بإجراء دراسة استقلالية الشبكة كخطوة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها قبل الانتهاء من أي عمليات محاكاة مستقبلية.

تقدم هذه الدراسة أول مثال قائم على المحاكاة للفصل المضمن لخلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) والخلايا الظهارية غير السرطانية للثدي (MCF-10A) بناء على خصائصها العازلة. نعتقد أنه يمكن تنفيذ هذا التصميم بشكل أكبر لفرز الخلايا القابلة للتطبيق وغير القابلة للحياة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب محتمل في المصالح.

Acknowledgments

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

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

الهندسة، العدد 186،
جهاز الموائع الدقيقة لفصل خلايا سرطان الثدي غير النقيلي (MCF-7) وغير الورمية (MCF-10A) باستخدام الرحلان الكهربائي AC
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

ur Rehman, A., Zabibah, R. S.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter