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Engineering

एसी डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग करके गैर-मेटास्टैटिक (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर (एमसीएफ -10 ए) स्तन कैंसर कोशिकाओं के पृथक्करण के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस

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

स्तन कैंसर कोशिकाएं गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं की तुलना में विभिन्न ढांकता हुआ गुण प्रदर्शित करती हैं। यह परिकल्पना की गई है कि, ढांकता हुआ गुणों में इस अंतर के आधार पर, दो आबादी को इम्यूनोथेरेपी उद्देश्यों के लिए अलग किया जा सकता है। इसका समर्थन करने के लिए, हम एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं को सॉर्ट करने के लिए एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस मॉडल करते हैं।

Abstract

डायफोरफोरेटिक डिवाइस बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू करके नमूना मात्रा में कैंसर कोशिकाओं के ध्रुवीकरण के सिद्धांत का उपयोग करके लेबल-मुक्त, लागत प्रभावी, मजबूत और सटीक तरीके से कैंसर कोशिकाओं का पता लगाने और हेरफेर करने में सक्षम हैं। यह लेख दर्शाता है कि सेल मिश्रण से हाइड्रोडायनामिक डायफोरफोरेसिस (एचडीईपी) का उपयोग करके गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) के उच्च-थ्रूपुट निरंतर छंटाई के लिए माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म का उपयोग कैसे किया जा सकता है। एचडीईपी माइक्रोफ्लुइडिक चिप में माइक्रोन आकार के अंतर के साथ-साथ रखे गए दो इलेक्ट्रोड के बीच एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करके, गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) को दूर धकेला जा सकता है, जो मुख्य चैनल के अंदर नकारात्मक डीईपी का प्रदर्शन करता है, जबकि गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाएं झिल्ली चालकता से अधिक चालकता होने के कारण सेल माध्यम में निलंबित होने पर अप्रभावित होती हैं। इस अवधारणा को प्रदर्शित करने के लिए, मध्यम चालकता के विभिन्न मूल्यों के लिए सिमुलेशन किए गए थे, और कोशिकाओं की छंटाई का अध्ययन किया गया था। एक पैरामीट्रिक अध्ययन किया गया था, और एक उपयुक्त सेल मिश्रण चालकता 0.4 एस / एम पाई गई थी। मध्यम चालकता को स्थिर रखकर, 0.8 मेगाहर्ट्ज की पर्याप्त एसी आवृत्ति स्थापित की गई थी, जिससे विद्युत क्षेत्र आवृत्ति को बदलकर अधिकतम छंटाई दक्षता मिली। प्रदर्शित विधि का उपयोग करके, उपयुक्त सेल मिश्रण निलंबन मध्यम चालकता और लागू एसी की आवृत्ति चुनने के बाद, अधिकतम छंटाई दक्षता प्राप्त की जा सकती है।

Introduction

एक घातक ट्यूमर जो स्तन ऊतक में और उसके आसपास विकसित होता है, दुनिया भर में महिलाओं में स्तन कैंसर का लगातार कारण है, जिससे एक महत्वपूर्णस्वास्थ्य समस्या होती है। मेटास्टेसिस से पहले स्तन ट्यूमर का इलाज सर्जरी के माध्यम से किया जा सकता है यदि प्रारंभिक चरण में पता लगाया जाता है, लेकिन अगर अनदेखा किया जाता है, तो वे अपने फेफड़ों, मस्तिष्क और हड्डियों में फैलकर रोगी के जीवन पर गंभीर प्रभाव डाल सकते हैं। बाद के चरणों में पेश किए गए उपचार, जैसे विकिरण और रसायन-आधारित उपचार, केगंभीर दुष्प्रभाव हैं। हाल के अध्ययनों ने बताया है कि स्तन कैंसर का प्रारंभिक निदान मृत्यु दर को 60% 3 तक कम कर देता है। इसलिए, व्यक्तिगत प्रारंभिक पहचान विधियों की दिशा में काम करना अनिवार्य है। इसके लिए, विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों में काम करने वाले शोधकर्ताओं ने स्तन कैंसर के शुरुआती निदान के लिएउपकरणों को विकसित करने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग किया है। इन विधियों में सेल आत्मीयता माइक्रो-क्रोमैटोग्राफी, चुंबकीय-सक्रिय माइक्रो-सेल सॉर्टर्स, आकार-आधारित कैंसर सेल कैप्चर और पृथक्करण, और ऑन-चिप डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस (डीईपी) 5,6 शामिल हैं। साहित्य में रिपोर्ट की गई ये माइक्रोफ्लुइडिक तकनीकें सटीक सेल हेरफेर, वास्तविक समय की निगरानी और अच्छी तरह से परिभाषित नमूनों की छंटाई को सक्षम करती हैं, जो कई नैदानिक औरचिकित्सीय अनुप्रयोगों में एक मध्यवर्ती कदम के रूप में काम करती हैं। माइक्रोफ्लुइडिक्स के साथ इन सॉर्टिंग तंत्रों का एकीकरण लक्ष्य कोशिकाओं 7,8,9,10 के लचीले और विश्वसनीय हेरफेर प्रदान करता है। इस तरह के एकीकरण के मुख्य लाभों में से एक नैनो से माइक्रोलीटर वॉल्यूम में द्रव के नमूनों के साथ काम करने की क्षमता है और नमूना तरल पदार्थ के विद्युत गुणों में हेरफेर करने में भी सक्षम है। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के अंदर निलंबित तरल पदार्थ की चालकता को समायोजित करके, जैविक कोशिकाओं को उनके आकार और उनके ढांकता हुआ गुणों में अंतरके आधार पर क्रमबद्ध किया जा सकता है।

इन तकनीकों में, ऑन-चिप डीईपी को अक्सर पसंद किया जाता है क्योंकि यह एक लेबल-मुक्त सेल सॉर्टिंग तकनीक है जो जैविक नमूनों के विद्युत गुणों का शोषण करती है। डीईपी को डीएनए13, आरएनए 14, प्रोटीन15, बैक्टीरिया16, रक्त कोशिकाओं17, परिसंचारी ट्यूमर कोशिकाओं (सीटीसी)18 और स्टेम सेल 19 जैसे जैव-नमूनों में हेरफेर करने की सूचना दी गई है। जैविक नमूनों को छांटने के लिए डीईपी का उपयोग करने वाले माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को साहित्य20 में बड़े पैमाने पर रिपोर्ट किया गया है। व्यवहार्य और गैर-व्यवहार्य खमीर कोशिकाओं को छांटने के लिए जलाशय आधारित डीईपी माइक्रोफ्लुइडिक (आरडीईपी) उपकरणों की सूचना दी गई है जो कोशिकाओं को विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के प्रतिकूलप्रभावों से बचाते हैं। पियासेंटिनी एट अल ने एक कैस्टेलेटेड माइक्रोफ्लुइडिक सेल सॉर्टर की सूचना दी जो 97% 23 की दक्षता के साथ प्लेटलेट्स से लाल रक्त कोशिकाओं को अलग करता है। असममित छिद्रों और एम्बेडेड इलेक्ट्रोड के साथ ऑन-चिप डीईपी उपकरणों को भी व्यवहार्य और गैर-व्यवहार्य कोशिकाओं को क्रमबद्ध करने के लिए सूचित किया गयाहै। वेलेरो और डेमियर एट अल ने चैनल25,26 के दोनों किनारों पर माइक्रोइलेक्ट्रोड्स के दो सरणी पेश करके कैस्टेलेटेड माइक्रोफ्लुइडिक सेल सॉर्टर को संशोधित किया। इससे चैनल के केंद्र में कोशिकाओं को केंद्रित करने में मदद मिली। ज़ीनेप एट अल ने ल्यूकोसाइट्स27 से एमसीएफ 7 स्तन कैंसर कोशिकाओं को अलग करने और केंद्रित करने के लिए एक डीईपी-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस प्रस्तुत किया। उन्होंने ल्यूकोसाइट्स से एमसीएफ 7 कोशिकाओं को 1 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति और 10-12 वीपीपी तक लागू वोल्टेज के साथ 74% -98% के बीच निकालने की दक्षता की सूचना दी। पूरक तालिका 1 डीईपी-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक सॉर्टिंग उपकरणों के बीच उनके डिजाइन, इलेक्ट्रोड कॉन्फ़िगरेशन और ऑपरेटिंग मापदंडों (लागू आवृत्ति और वोल्टेज) के आधार पर गुणात्मक और मात्रात्मक तुलना का प्रतिनिधित्व करती है।

हाल ही में, शोधकर्ताओं ने माइक्रोफ्लुइडिक चिप28,29 के अंदर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) और गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) के ढांकता हुआ व्यवहार में अंतर को मापने की कोशिश की है। जितिन एट अल ने 200 मेगाहर्ट्ज और 13.6 गीगाहर्ट्ज30 के बीच आवृत्तियों के साथ एक ओपन-एंडेड समाक्षीय जांच तकनीक का उपयोग करके विभिन्न कैंसर सेल लाइनों की ढांकता हुआ प्रतिक्रियाओं की भी विशेषता बताई। एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए सेल लाइनों की ढांकता हुआ प्रतिक्रियाओं में इन अंतरों का उपयोग रनटाइम में उन्हें अलग करने के लिए किया जा सकता है और व्यक्तिगत प्रारंभिक चरण निदान उपकरणों के विकास का कारण बन सकता है।

इस लेख में, हम एसी डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग करके गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) की नियंत्रित छंटाई का अनुकरण करते हैं। विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन का क्षेत्र माइक्रोफ्लुइडिक चिप के अंदर छंटाई को प्रभावित करता है। प्रस्तावित तकनीक को लागू करना आसान है और विभिन्न माइक्रोफ्लुइडिक चिप लेआउट में सॉर्टिंग तकनीक के एकीकरण की अनुमति देता है। कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता (सीएफडी) सिमुलेशन गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं के पृथक्करण का अध्ययन करने के लिए द्रव माध्यम की चालकता को बदलकर किया गया था जिसमें कोशिकाओं को निलंबित कर दिया गया था। इन सिमुलेशन में, यह दिखाया गया है कि, चालकता को स्थिर रखकर और लागू आवृत्ति को बदलकर, कैंसर कोशिकाओं और स्वस्थ कोशिकाओं के पृथक्करण को नियंत्रित किया जा सकता है।

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Protocol

नोट: यहां प्रोटोकॉल एसी डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग करके गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) की नियंत्रित छंटाई का अनुकरण करने के लिए एक मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन सॉफ्टवेयर सीओएमओएल का उपयोग करता है।

1. चिप डिजाइन और पैरामीटर चयन

  1. मल्टीफिजिक्स सॉफ्टवेयर खोलें और रिक्त मॉडल का चयन करें। वैश्विक परिभाषाओं पर राइट-क्लिक करें और पैरामीटर का चयन करें। तालिका 1 में दिए गए मापदंडों को पाठ फ़ाइल के रूप में वैश्विक परिभाषाओं में आयात करें या व्यक्तिगत रूप से मान दर्ज करें।
  2. होम टैब से घटक जोड़ें का चयन करें और 2D घटक जोड़ें. ज्यामिति पर राइट-क्लिक करें और फ़ाइल पर डबल-क्लिक करके मॉडल फ़ाइल आयात करें।
  3. एक रिक्त सामग्री चुनें और तालिका 1 से सामग्री गुणों का उपयोग करें।
  4. होम टैब से भौतिकी जोड़ें का चयन करें, और एसी / डीसी टाइप करें। डीसी नोड के तहत, विद्युत क्षेत्रों और धाराओं के उप-नोड के तहत भौतिकी के रूप में विद्युत धाराओं का चयन करें।
  5. विद्युत धारा पर राइट-क्लिक करें और इलेक्ट्रोड को क्षमता प्रदान करने के लिए चैनल की दीवारों को इन्सुलेट करने के लिए वर्तमान संरक्षण, इन्सुलेट और इलेक्ट्रिक पोटेंशियल सब-नोड्स चुनें।
  6. होम टैब से भौतिकी जोड़ें का चयन करें, और द्रव प्रवाह नोड के तहत, एकल-चरण प्रवाह के उप-नोड के तहत क्रीपिंग फ्लो भौतिकी चुनें। सिंगल-फेज फ्लो पर राइट-क्लिक करें और वॉल सब-नोड का उपयोग करके चिप सीमाओं को दीवारों के रूप में प्रस्तुत करें।
  7. सिंगल-फेज फ्लो पर राइट क्लिक करें और दो इनलेट सब-नोड्स और एक आउटलेट सब-नोड जोड़ें।
  8. इनलेट उप-नोड का उपयोग करके इनलेट असाइन करें और सीमा स्थिति के रूप में प्रवाह वेग में सामान्य का उपयोग करें। आउटलेट उप-नोड का उपयोग करके आउटलेट असाइन करें।
  9. होम टैब से भौतिकी जोड़ें का चयन करें, और द्रव प्रवाह नोड के तहत, कण अनुरेखण के उप नोड के तहत कण अनुरेखण प्रवाह भौतिकी चुनें।
  10. पार्टिकल ट्रेसिंग नोड पर राइट-क्लिक करें और उप-नोड्स दीवार, दो-कण संपत्ति उप-नोड्स, दो इनलेट उप-नोड्स, एक आउटलेट उप-नोड, दो डायइलेक्ट्रोफोरेसिस बल उप-नोड्स और एक ड्रैग फोर्स सब-नोड जोड़ें।
    1. कण गुण उप-नोड का उपयोग करके MCF-7 और MCF-10A कोशिकाओं दोनों के लिए कण गुण सेट करें। वैश्विक परिभाषा अनुभाग के तहत मापदंडों से कण गुण चुनें।
    2. दोनों प्रकार की कोशिकाओं को डायफोरफोरेटिक बल असाइन करने के लिए ड्रैग फोर्स उप-नोड जोड़ें।
    3. पैरामीटर अनुभाग से इस मामले में कण गुण जोड़ें। स्तनधारी कोशिकाओं को मॉडल करने के लिए शेल उप-नोड जोड़ें।
  11. होम टैब से, मेष जोड़ें चुनें और फाइन मेष चुनें। जाल बनाने के लिए होम टैब से बिल्ड मेश चुनें।
  12. होम टैब से, तीन अध्ययन चरणों को जोड़ने के लिए अध्ययन जोड़ें पर क्लिक करें। अध्ययन चरण 1 एक आवृत्ति प्रतिक्रिया का अनुकरण करने के लिए है; फ़्रीक्वेंसी डोमेन उप-नोड का उपयोग करें.
    1. रेंगने वाले प्रवाह का अनुकरण करने के लिए, एक स्थिर अध्ययन नोड चुनें। डायफोरफोरेटिक बल के साथ और डायफोरफोरेटिक बल के बिना स्थितियों को अनुकरण करने के लिए दो समय-निर्भर चरण जोड़ें।
    2. कोई डायफोरफोरेटिक स्थिति के लिए, भौतिकी और चर चयन चुनें, अध्ययन चरण के लिए मॉडल कॉन्फ़िगरेशन संशोधित करें शीर्षक वाले बॉक्स को चेक करें, और डायफोरफोरेटिक चरण को अक्षम करें। डायफोरफोरेटिक स्थितियों के लिए, अक्षम न करें। फ़ाइल सहेजें और सिमुलेशन चलाने के लिए Compute दबाएँ ।
      नोट: गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) की छंटाई के लिए डिज़ाइन किए गए माइक्रोफ्लुइडिक चिप में सेल मिश्रण प्रवाह और हाइड्रोडायनामिक प्रवाह फोकस के लिए क्रमशः दो अलग-अलग इनलेट्स हैं, जिनकी चौड़ाई क्रमशः 20 μm और 40 μm है, जैसा कि पूरक चित्र 1 और पूरक चित्र 2 में दिखाया गया है।
    3. सॉर्टिंग कक्ष की शीर्ष तरफ की दीवार के साथ रखे गए प्लानर इलेक्ट्रोड (चौड़ाई में 295 μm) को इलेक्ट्रिक पोटेंशियल सब-नोड का उपयोग करके आवृत्ति डोमेन उप-नोड और वोल्टेज के तहत आवृत्ति (एफ0) असाइन करें। आउटलेट पर, क्रमबद्ध कणों की कल्पना करने के लिए "फ्रीज" दीवार की स्थिति का उपयोग करें।

2. गणितीय मॉडल और कम्प्यूटेशनल विश्लेषण

  1. कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशील (सीएफडी) अध्ययन स्थापित करके माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के अंदर गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं को अलग करने के लिए ऑपरेटिंग मापदंडों को सत्यापित करें।
    नोट: मल्टीफिजिक्स सॉफ्टवेयर (एसी / डीसी, माइक्रोफ्लुइडिक्स और पार्टिकल ट्रैकिंग मॉड्यूल) का उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया गया था। शासी समीकरण और सैद्धांतिक पृष्ठभूमि पूरक फाइल 1 में विस्तार से दिए गए हैं। मॉडल का परीक्षण गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ 7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) के ढांकता हुआ गुणों का उपयोग करके किया गया था, जो साहित्य31,32 में रिपोर्ट किए गए हैं, जिन्हें तालिका 1 में संक्षेप ति किया गया है।
  2. सेल मिश्रण इनलेट पर 1: 1 के अनुपात के साथ गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर (एमसीएफ 7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला (एमसीएफ -10 ए) सेल लाइनों को पेश करके सीएफडी सिमुलेशन करें।
    1. प्रारंभ में, सिमुलेशन33 के लिए जाल आकार को अनुकूलित करने के लिए एक जाल स्वतंत्रता अध्ययन करें।
      नोट: ऑपरेटिंग मापदंडों के लिए सबसे अच्छा समाधान खोजने के लिए एक जाल स्वतंत्रता अध्ययन किया गया था। समाधान के अभिसरण के लिए सर्वोत्तम संभव तत्व आकार को निर्धारित करने के लिए पांच अलग-अलग जाल आकारों का एक सेट चुना गया था। यह देखा गया कि, जब जाल को परिभाषित करने वाले तत्वों की कुल संख्या 635 (मोटे जाल) थी, जैसा कि पूरक चित्र 3 ए में दिखाया गया है, छंटाई दक्षता अपने सबसे निचले स्तर पर थी, जिसमें कुछ एमसीएफ 7 कोशिकाएं नीचे के आउटलेट में चली गईं, जैसा कि पूरक चित्र 3 बी में दर्शाया गया है। जब जाल का आकार ठीक हो गया, तो जाल को परिभाषित करने वाले तत्वों की संख्या भी बढ़कर 2,288 हो गई। इस मामले में छंटाई दक्षता अपने अधिकतम स्तर पर थी, जिसमें एमसीएफ 7 और एमसीएफ -10 ए दोनों कोशिकाएं अपने संबंधित आउटलेट की ओर बढ़ रही थीं। बेहतर जाल को भी अनुकरण किया गया था, जिसमें जाल को परिभाषित करने वाले तत्वों की संख्या 3,188 तक बढ़ गई थी। छंटाई दक्षता इस बिंदु से परे अप्रभावित रही। इसलिए, हम सुरक्षित रूप से कह सकते हैं कि ठीक जाल का आकार हमारे मामले में सबसे अच्छा काम करता है।
    2. सीएफडी अध्ययन के दो सेट हल करें।
    3. पहले सेट के लिए, अध्ययन 1 पर राइट-क्लिक करें और पैरामीट्रिक स्वीप उप-नोड जोड़ें। स्वीप चर के रूप में द्रव मध्यम चालकता "σमीटर" जोड़ने के लिए + चिह्न दबाएं। द्रव मध्यम चालकता σमीटर के लिए एक पैरामीट्रिक स्वीप अध्ययन करें, जो 0.01 एस / एम से 2.5 एस / एम तक होता है, लागू आवृत्ति, एफ (हर्ट्ज), 800 किलोहर्ट्ज के मूल्य पर स्थिर रहता है।
    4. दूसरे सेट के लिए, प्रत्येक मामले के लिए द्रव माध्यम, σ मीटर की चालकता को 0.4 एस / मीटर पर तय रखते हुए लागू एसी आवृत्ति को 100 kHz से 100 MHz तक बदलकर एक पैरामीट्रिक स्वीप अध्ययन करें। यह σएम मान पहले सीएफडी अध्ययन के परिणामों के आधार पर चुना गया था क्योंकि इस मूल्य पर एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए के बीच अधिकतम पृथक्करण देखा गया था।
    5. एक प्रवाहकीय माध्यम में एक ढांकता हुआ गोलाकार कण पर लगाए गए द्विवैद्युतकणसंचलन (डीईपी) बल, एफडीईपी (-) की ताकत समीकरण 1 टी34 द्वारा दी गई है:
      एफडीईपी Equation 1 [1]
      डाइफोरफोरेटिक बल उप-नोड के तहत समीकरण 1 का उपयोग करें। समीकरण 1 में, आर उस कण की त्रिज्या को दर्शाता है जिस पर एफडीईपीलागू होता है; के (-) को क्लौसियस-मोसोट्टी कारक के रूप में जाना जाता है; εएम (-) माध्यम की ढांकता हुआ पारगम्यता को दर्शाता है; और E(V/m) विद्युत क्षेत्र का मूल माध्य वर्ग मान है।
    6. द्विवैद्युतक बल उप-नोड के तहत एक गोलाकार कण के लिए समीकरण 2 का उपयोग करें।
      Equation 2[2]
      समीकरण 2 में, Equation 3 (-) उस कण की जटिल पारगम्यता को दर्शाता है जिस पर डीईपी बल लागू होता है; Equation 4 (-) कण के आसपास तरल पदार्थ की जटिल पारगम्यता को दर्शाता है। जटिल पारगम्यता Equation 3 और Equation 4 निम्नानुसार परिभाषित की गई है:
    7. डाइफोरफोरेटिक बल उप-नोड के तहत एक गोलाकार कण के लिए समीकरण 3 का उपयोग करें:
      Equation 6[3]
      समीकरण 3 में, εपी (-) कण की जटिल पारगम्यता के वास्तविक भाग को दर्शाता है; εएम (-) कण के आसपास तरल पदार्थ की जटिल पारगम्यता का वास्तविक हिस्सा दिखाता है; σपी (एस / एम) कण चालकता को दर्शाता है; σएम (एस / एम) कण के आसपास के माध्यम की चालकता को दर्शाता है; और (Hz) लागू विद्युत क्षेत्र की आवृत्ति है।
      नोट: Re(K) का चिह्न FDEP की ध्रुवीयता को निर्धारित करता है। यदि Re(K) का संकेत नकारात्मक है, तो कण एक नकारात्मक द्विवैद्युतक बल (nDEP) का अनुभव करता है; इसके विपरीत, यदि आरई (के) का संकेत सकारात्मक है, तो इसका अर्थ है एक सकारात्मक डायफोरफोरेटिक बल (पीडीईपी)। क्लौसियस-मोसोट्टी कारक (के) के लिए, भिन्नता -1 से 1 की सीमा के भीतर है।
  3. स्तनधारी कोशिकाओं जैसे जैविक कोशिकाओं को मॉडल करने के लिए समीकरण 3 के एक संशोधित रूप का उपयोग करें, जो अधिक जटिल हैं और एक बहुस्तरीय संरचना है।
    K (Equation 7) = Equation 8 [4]
    समीकरण 4 में, Equation 9 (-) साइटोप्लाज्म की जटिल पारगम्यता, Equation 10 (-), और कोशिका झिल्ली की जटिल पारगम्यता, (-) दोनों को शामिल करता है, Equation 11 और निम्नानुसार दिया गया है: 36
  4. "Equation 12" को हल करने के लिए समीकरण 5 का उपयोग करें:
    Equation 13[5]
    समीकरण 5 में, आरसाइटो (एम) और आरमेम (एम) क्रमशः सेल साइटोप्लाज्म और सेल झिल्ली की त्रिज्या दिखाते हैं।
  5. फिर, कैंसर और स्वस्थ कोशिकाओं दोनों के लिए लागू विद्युत क्षेत्र के कार्य के रूप में Re(K) को प्लॉट करने के लिए समीकरण 4 का उपयोग करें। क्लौसियस-मोसोट्टी (सीएम) कारक, आरई (के) के वास्तविक भाग की गणना करें, ताकि कण अनुभव किए जाने वाले डायफोरफोरेटिक बल (डीईपी) को निर्धारित किया जा सके।
  6. परिणाम नोड पर राइट-क्लिक करें, कण मूल्यांकन उप-नोड जोड़ें, और अभिव्यक्ति अनुभाग में, कण 1 के लिए सीएम कारक और कण 2 के लिए fpt.deff2.K को प्लॉट करने के लिए fpt.deff1.K टाइप करें।
    नोट: मुख्य पाठ में सूचीबद्ध सभी प्रोटोकॉल चरणों को प्रोटोकॉल वीडियो (वीडियो 1) में देखा जा सकता है।

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Representative Results

गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला (एमसीएफ -10 ए) कोशिकाओं के प्रभावी डीईपी-आधारित छंटाई के लिए इष्टतम परिचालन मापदंडों की जांच
गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला (एमसीएफ -10 ए) कोशिकाओं के एक सफल पृथक्करण को प्राप्त करने के लिए, डायफोरफोरेसिस से गुजरते समय अलग-अलग ढांकता हुआ गुणों के साथ, उनके के कारकों को लागू आवृत्ति37,38 को निर्धारित करके अलग किया जाना चाहिए। एक लागू विद्युत क्षेत्र के तहत गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं की ढांकता हुआ प्रतिक्रियाओं का परिमाणीकरण और दोनों सेल लाइनों के लिए लागू आवृत्ति के कार्य के रूप में "के" कारक की गणना समीकरण 4 का उपयोग करके प्राप्त की गई थी। चित्रा 1 में दिखाए गए परिणाम गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं के सभी ढांकता हुआ मापदंडों को तय करके उत्पन्न किए गए थे, जबकि विद्युत क्षेत्र की लागू आवृत्ति सेल निलंबन मीडिया की चालकता के तीन अलग-अलग मूल्यों के लिए भिन्न थी, σमीटर।

जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, प्रत्येक मामले में, K का मान -1 से 1 की सीमा के भीतर है, जो पिछलेअध्ययनों 39,40 के अनुरूप है। बहरहाल, मध्यम चालकता (σ मीटर) के मूल्य के अनुसार गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) दोनों के लिए वास्तविक (के) बनाम आवृत्ति परिवर्तन का प्लॉट बदलताहै। चित्रा 1 में दिखाए गए परिणाम एक हालिया अध्ययन के अनुरूप हैं जिसमेंएमसीएफ -7 कोशिकाओं के लिए आरई (के) पर σ एम के प्रभाव को41 निर्धारित किया गया था।

Figure 1
चित्र 1: क्लौसियस-मोसोटी कारक। क्लौसियस-मोसोट्टी कारक, के का वास्तविक हिस्सा, एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं के लिए आवृत्ति के कार्य के रूप में प्लॉट किया गया है, जो (ए) σ एम = 0.01 एस /एम की चालकता की विशेषता वाले माध्यम में निलंबित है; (बी) σमीटर = 0.4 एस / (C) σm = 1.2 S/m . कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 1 को तीन अलग-अलग σएम मानों के लिए MyDEP उपकरण का उपयोग करके प्लॉट किया गया था, जो लागू एसी आवृत्ति को 100 kHz से 100MHz तक रखता है और बदलता है। प्रारंभ में, σमीटर को 0.01 एस / एम चुना गया था, और लागू एसी आवृत्ति 100 kHz और 100 MHz के बीच भिन्न थी, जैसा कि चित्र 1A में दिखाया गया है। 100 kHz की लागू एसी आवृत्ति पर, MCF-10A कोशिकाओं के लिए Re(K) का मान 0.82 निकला, जिसका अर्थ है कि वे सकारात्मक डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस (pDEP) का अनुभव करते हैं और उच्च विद्युत क्षेत्र शक्ति के क्षेत्र की ओर बढ़ना चाहिए। इसी तरह, 100 kHz पर MCF-7 कोशिकाएं भी 0.76 के Re(K) मान के साथ pDEP का अनुभव करती हैं। आवृत्ति 100 kHz के चरणों में बढ़ गई थी, और दोनों सेल प्रकारों के लिए सीएम कारक का मूल्य लागू आवृत्ति स्पेक्ट्रम में सकारात्मक पक्ष पर रहा। अन्य सभी ऑपरेटिंग मापदंडों को स्थिर रखकर, मध्यम चालकता को आरई (के) को प्लॉट करने के लिए 0.4 एस / मीटर तक बढ़ाया गया था, जैसा कि चित्र 1 बी में दिखाया गया है। एमसीएफ -10 ए और एमसीएफ -7 ने 100 किलोहर्ट्ज पर क्रमशः -0.46 और -0.31 के आरई (के) मूल्यों के साथ नकारात्मक डायफोरफोरेसिस (एनडीईपी) व्यवहार का प्रदर्शन किया। जैसे ही आवृत्ति को 0.8 मेगाहर्ट्ज तक बढ़ाया गया था, एमसीएफ -10 कोशिकाओं की डीईपी प्रतिक्रिया बदल गई, और उन्होंने 0.014 के आरई (के) मान के साथ पीडीईपी का अनुभव किया। एमसीएफ -7 कोशिकाओं का यह व्यवहार कोशिका झिल्ली और आसपास के सेल निलंबन माध्यम39,41 के बीच इंटरफेस पर मैक्सवेल-वैगनर ध्रुवीकरण के कारण होता है। जिस आवृत्ति में डीईपी प्रतिक्रिया में यह परिवर्तन देखा जाता है, उसे क्रॉस-ओवर आवृत्ति के रूप में जाना जाता है, जैसा कि चित्र 1 ए42,22 में दिखाया गया है। एमसीएफ -7 कोशिकाओं ने, इस मामले में, एनडीईपी का अनुभव किया। आवृत्ति को 100 मेगाहर्ट्ज तक बढ़ाया गया था, लेकिन दोनों सेल प्रकारों ने अपने डीईपी व्यवहार को नहीं बदला और इस प्रकार, लागू विद्युत क्षेत्र आवृत्ति में भिन्नता से अप्रभावित रहे। जब चालकता को 1.2 एस / एम तक बढ़ाया गया था, तो एमसीएफ -10 ए और एमसीएफ -7 कोशिकाओं ने 100 किलोहर्ट्ज पर एनडीईपी का अनुभव किया। इस मामले में, एमसीएफ -10 ए और एमसीएफ -7 कोशिकाओं के लिए आरई (के) मान क्रमशः -0.49 और -0.43 थे, जैसा कि चित्रा 1 सी में दिखाया गया है। चूंकि आवृत्ति को 0.8 मेगाहर्ट्ज तक बढ़ा दिया गया था, इसलिए कोशिकाओं की डीईपी प्रतिक्रिया नहीं बदली, क्योंकि वे एनडीईपी का अनुभव करते रहे। कोशिकाओं के निलंबन मध्यम चालकता के उच्च मूल्यों पर एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए सेल लाइनों दोनों का नकारात्मक डीईपी व्यवहार पहले रिपोर्ट किए गएअध्ययनों 39,43,44 के अनुरूप है। पहली क्रॉस-ओवर आवृत्ति से अधिक आवृत्तियों पर कोशिकाओं का डीईपी व्यवहार साइटोप्लाज्मिक चालकता और निलंबन समाधान45,46 के बीच बातचीत द्वारा नियंत्रित होता है। दूसरी ओर, पहले क्रॉस-ओवर आवृत्ति से कम आवृत्तियों पर, कोशिकाओं की ढांकता हुआ प्रतिक्रिया कोशिका झिल्ली चालकता और सेल निलंबन माध्यम के बीच बातचीत से निर्धारित होती है।

चित्रा 1 में दिखाए गए परिणामों के आधार पर, COMSOL सिमुलेशन स्थापित किए गए थे। प्रारंभ में, विद्युत क्षेत्र की ताकत को इस सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके निर्धारित किया गया था, जैसा कि चित्रा 2 में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि सॉर्टिंग चैनल की शीर्ष दीवार पर साथ-साथ रखे गए दो इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पन्न कुल विद्युत क्षेत्र के परिमाण की मैक्सिमा इलेक्ट्रोड किनारों के पास स्थित है। तीर विद्युत क्षेत्र की दिशा दिखाते हैं।

Figure 2
चित्र 2: विद्युत क्षेत्र की ताकत। दो इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र को साथ-साथ रखा जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं को सॉर्ट करने के लिए सिमुलेशन लागू एसी आवृत्ति को 0.8 मेगाहर्ट्ज (क्रॉस-ओवर आवृत्ति) पर तय करके और σ मीटर के मूल्य को बदलकर स्थापित किए गए थे। चित्र 1 में दिखाए गए Re(K) प्लॉट के अनुसार σm के लिए तीन मान चुने गए थे। प्रारंभ में, जब σमीटर 0.01 एस / एम था, तो दोनों सेल प्रकारों ने सकारात्मक डीईपी का अनुभव किया, उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत के क्षेत्र की ओर चले गए, और शीर्ष आउटलेट से बाहर चले गए, जैसा कि चित्रा 3 ए में दिखाया गया है। दोनों सेल लाइनों के लिएसाइटोप्लाज्मिक चालकता σ साइटोप्लाज्मिक चालकता इस विशेष मामले में मध्यम चालकता σमीटर से अधिक थी, इस प्रकार दोनों सेल लाइनों को माइक्रोफ्लुइडिक चैनल 47 के शीर्ष पर इलेक्ट्रोड के करीब जाने के लिए मजबूरकिया गया। MCF-10A कोशिकाओं की DEP प्रतिक्रिया बदल गई, और उन्होंने नकारात्मक DEP का अनुभव किया, जब σm को 0.8 MHz पर तय की गई लागू आवृत्ति के साथ 0.4 S/m तक बढ़ा दिया गया। चित्र 3B से पता चलता है कि MCF-10A कोशिकाएं शीर्ष आउटलेट पर जाती हैं, जबकि MCF-7 कोशिकाएं निचले आउटलेट में चली जाती हैं। इस पृथक्करण का कारण यह है कि एमसीएफ -7 कोशिकाएं एमसीएफ -10 ए की तुलना में अधिक ध्रुवीकृत होती हैं क्योंकि साइटोप्लाज्म σ उनकीसाइटोप्लाज्मिक चालकताσ एम की मध्यम चालकता से अधिक होती है, जैसा कि सेल सॉर्टिंग वीडियो (वीडियो 2) में दिखाया गया है।

Figure 3
चित्रा 3: सेल सॉर्टिंग निश्चित आवृत्ति। माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में डीईपी द्वारा समय के साथ एमसीएफ -7 और स्वस्थ सेल पृथक्करण का सिमुलेशन। एमसीएफ -7 और निलंबित माध्यम की चालकता के तीन अलग-अलग मूल्यों पर स्वस्थ सेल पृथक्करण: (ए) 0.01 एस / (बी) 0.4 एस / एम; (C) 1.2 S/m प्रत्येक मामले में, लागू आवृत्ति 0.8 मेगाहर्ट्ज थी, लागू वोल्टेज वीपीपी 1.5 वी था, और इंजेक्शन इनलेट पर प्रवाह वेग 184 μm / s और 853 μm / s था। सिमुलेशन में, एमसीएफ -7 कोशिकाओं और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं को क्रमशः नीले और लाल सर्कल के साथ दर्शाया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चूंकि मध्यम चालकता को 1.2 एस / एम तक बढ़ाया गया था, एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाएं दोनों साइटोप्लाज्मिक चालकता σ साइटोप्लाज्म मूल्यों के कारण उनके आसपास के माध्यम की तुलना में कम ध्रुवीकृत हो गईं। नतीजतन, उन्होंने एनडीईपी का अनुभव किया और उच्च विद्युत क्षेत्र के क्षेत्रों से दूर चले गए, जैसा कि चित्र 3 सी में दिखाया गया है।

इन परिणामों से पता चलता है कि माध्यम की चालकता एमसीएफ -7 गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं को डीईपी के आधार पर एमसीएफ -10 ए गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं से अलग करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। इसके अलावा, जैसा कि चित्रा 3 बी में दिखाया गया है, एक प्रभावी पृथक्करण प्राप्त करने के लिए, मध्यम चालकता को इस तरह से समायोजित करने की आवश्यकता है कि कोशिकाएं अपने संबंधित ढांकता हुआ गुणों के आधार पर पीडीईपी या एनडीईपी का अनुभव करें।

अंत में, दोनों सेल लाइनों के सॉर्टिंग व्यवहार पर लागू डायफोरफोरेटिक बल, एफडीईपी के प्रभाव की जांच 0.4 एस / एम पर मध्यम चालकता स्थिर रखकर की गई थी। एफडीईपी लागू विद्युत क्षेत्र48,49 की आवृत्ति का एक कार्य है, और जैसे ही लागू विद्युत क्षेत्र की आवृत्ति बदल जाती है, कोशिकाएं अपने डीईपी व्यवहार को बदलती हैं। सिमुलेशन 100 kHz पर आवृत्ति सेट करके शुरू किए गए थे, और यह देखा गया कि MCF-10A और MCF-7 सेल लाइनों दोनों ने NDEP का अनुभव किया और उच्च विद्युत क्षेत्र के क्षेत्र से नीचे आउटलेट की ओर चले गए, जैसा कि चित्र 4A में दिखाया गया है। जैसा कि आवृत्ति में वृद्धि हुई थी, दोनों सेल लाइनों का डीईपी व्यवहार 0.8 मेगाहर्ट्ज तक अपरिवर्तित रहा, जब एमसीएफ -10 ए ने अपने डीईपी व्यवहार को बदल दिया और पीडीईपी क्षेत्र में पार कर लिया। यह जांच के तहत डीईपी प्रतिक्रिया कोशिकाओं और अधिकतम छंटाई दक्षता के बीच अधिकतम पृथक्करण के साथ बिंदु है, जैसा कि चित्रा 4 बी में दिखाया गया है। जब आवृत्ति को 100 मेगाहर्ट्ज तक बढ़ाया गया था, तो यह देखा गया था कि दोनों सेल लाइनों ने पीडीईपी का अनुभव किया और शीर्ष आउटलेट की ओर चले गए, जैसा कि चित्रा 4 सी में दिखाया गया है। 0.8 मेगाहर्ट्ज से ऊपर की उच्च आवृत्तियों पर, कोशिकाओं ने चैनल की दीवारों पर गतिहीन होना शुरू कर दिया। चैनल की दीवारों पर कोशिकाओं के स्थिरीकरण से छंटाई प्रक्रिया के दौरान सेल हानि हो सकती है, जो बदले में, डिवाइस की समग्र दक्षता पर प्रभाव डालती है। इन बलों का प्रभाव लंबे समय तक उजागर होने पर सेल व्यवहार्यता में गंभीर नुकसान भी पैदा कर सकता है। यांग एट अल ने लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स सेल लाइन पर डीईपी बलों के प्रभाव को 5 मेगाहर्ट्ज के एसी विद्युत क्षेत्र और 20 वीपीपी50 के पीक वोल्टेज के लिए उजागर करके निर्धारित किया। उनके परिणामों ने 4 घंटे के लिए डीईपी बल के प्रभाव में रखे जाने पर 56% -89% की व्यवहार्य सेल हानि का संकेत दिया। इसी तरह, डीईपी बलों को भी एक ध्रुवीकृत माध्यम में निलंबित होने पर कोशिकाओं के आंदोलन पर प्रभाव पड़ने की सूचना मिली है और कोशिकाओं को स्थिर करने के लिए उपयोग किया गया है। एटेहाड एट अल ने इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड (आईडीई) के साथ एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस की सूचना दी, जिसमें खमीर कोशिकाओं को स्थिर करने के लिए 1 मेगाहर्ट्ज और 20 वीपीपी की एसी आवृत्ति का उपयोग कियागया था। उन्होंने दिखाया कि उनकी खमीर कोशिकाओं का स्थिरीकरण उनके आईडीई और लागू वोल्टेज के बीच अंतराल के पहलू अनुपात पर निर्भर था। आईडीई स्पेसिंग के पहलू अनुपात में वृद्धि के परिणामस्वरूप सेल स्थिरीकरण में तेज कमी आई, और आईडीई के बीच अधिक अंतर वाले उपकरणों में कोशिकाओं को स्थिर करने के लिए, उच्च वीपीपी की आवश्यकता थी। सेल स्थिरीकरण एक वांछित अनुप्रयोग है जब कोशिकाओं को विश्लेषण या विकास के लिए फंसाने की आवश्यकता होती है। पिछले परिणामों ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि लागू एसी आवृत्ति और वोल्टेज का सेल स्थिरीकरण पर प्रभाव पड़ता है। उन अनुप्रयोगों में जहां उच्च-थ्रूपुट सॉर्टिंग या स्क्रीनिंग वांछित परिणाम है, सेल स्थिरीकरण के परिणामस्वरूप सेल हानि होती है और डिवाइस की आउटपुट दक्षता कम हो जाती है।

सेल स्थिरीकरण पर लागू आवृत्ति और वोल्टेज के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए, सिमुलेशन का एक सेट किलोहर्ट्ज से मेगाहर्ट्ज आवृत्ति रेंज तक 1.5 वीपीपी के एक निश्चित लागू वोल्टेज पर चलाया गया था। परिणाम पूरक चित्र एस 4 में दिखाए गए हैं। परिणामों से पता चला कि, kHz रेंज में आवृत्तियों पर, चैनल की दीवारों पर कोशिकाओं का स्थिरीकरण MHz रेंज में आवृत्तियों की तुलना में बहुत कम था। चूंकि डीईपी बल सीधे लागू एसी आवृत्ति के आनुपातिक है, इसलिए हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि, उच्च डीईपी बल पर, कोशिकाओं का स्थिरीकरण अधिक स्पष्ट है। इस माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के लिए, एमसीएफ 7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं की छंटाई के दौरान सेल हानि होगी क्योंकि इसे 0.8 मेगाहर्ट्ज से अधिक आवृत्तियों पर संचालित करने की आवश्यकता होती है। इनलेट पर कोशिकाओं के यादृच्छिक वितरण के प्रभाव को यादृच्छिक वितरण सीमा स्थिति चुनकर आगे की जांच की गई। इस मामले में अधिक सेल-चैनल दीवार इंटरैक्शन देखे गए, जैसा कि पूरक चित्र 5 में दिखाया गया है।

Figure 4
चित्रा 4: निश्चित मध्यम चालकता के साथ सेल सॉर्टिंग। माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) के पृथक्करण पर लागू एसी क्षेत्र की आवृत्ति का प्रभाव। (ए) एफ = 100 किलोहर्ट्ज; (बी) एफ = 0.8 मेगाहर्ट्ज; (C) f = 100 MHz। द्रव मध्यम चालकता σ मीटर = 0.4 एस /एम पर तय की गई थी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

सिमुलेशन के लिए ढांकता हुआ गुण εसाइटोप्लाज्म σसाइटोप्लाज्म
(एस / एम)		 εझिल्ली σझिल्ली
(एस / एम)
MCF-7 50 0.8 11 6× 10-6
MCF-10A 100 0.1 11 6
f0 800 [kHz] 1.2 x 103 हर्ट्ज विद्युत क्षेत्र की आवृत्ति
sigma_f 0.4 [एस / एम] 0.8 S/m द्रव मध्यम चालकता
epsilon_f 80 80 द्रव सापेक्ष पारगम्यता
rho_f 1000 [kg/m3] 1000 kg/m3 द्रव घनत्व
mu_f 1 x 10-3 [Pa's] 0.001 Pa's द्रव गतिशील चिपचिपाहट
rho_p 1050 [kg/m3] 1050 kg/m3 कण घनत्व
dp1 17 [μm] 1.7 x 10-5 मीटर कण व्यास
dp2 16 [उम] 1.6 x 10-5 मीटर कण व्यास
sigma_p1 0.8 [एस / एम] 0.6 S/m कण चालकता
sigma_p2 0.1 [एस / एम] 1.1 S/m कण चालकता
epsilon_p1 50 55 स्वस्थ सापेक्ष पारगम्यता
epsilon_p2 100 65 कैंसर सापेक्ष पारगम्यता
sigma_s1 6 x 10-6 [S/m] 6 x 10-6 S/m शेल विद्युत चालकता
sigma_s2 6 [एस / एम] 6 S/m शेल विद्युत चालकता
epsilon_s1 11 11 शेल सापेक्ष पारगम्यता
epsilon_s2 11 11 शेल सापेक्ष पारगम्यता
th_s1 7 [एनएम] 7 x 10-9 मीटर खोल की मोटाई
th_s2 7 [एनएम] 7 x 10-9 मीटर खोल की मोटाई

तालिका 1: ऑपरेटिंग पैरामीटर। MCF-7 और MCF-10A के ढांकता हुआ गुण

वीडियो 1: प्रोटोकॉल चरणों को दिखाने वाला एक वीडियो। कृपया इस वीडियो को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

वीडियो 2: सेल सॉर्टिंग वीडियो। कृपया इस वीडियो को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक फ़ाइल 1: शासी समीकरण और सैद्धांतिक पृष्ठभूमि। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्रा 1: डिवाइस डिजाइन और पैरामीटर। माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस डिज़ाइन डिवाइस के विभिन्न हिस्सों को उजागर करता है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्रा 2: इलेक्ट्रोड के बीच अंतर। दो पैच इलेक्ट्रोड के बीच का अंतर। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्र 3: जाल स्वतंत्रता अध्ययन। एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं की छंटाई पर विभिन्न जाल आकारों के प्रभाव को दर्शाते हुए एक जाल स्वतंत्रता अध्ययन। (ए) माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के लिए विभिन्न जाल आकार, प्रत्येक जाल के लिए तत्वों की संख्या को दर्शाते हैं। जाल का गठन करने वाले तत्वों की संख्या मोटे से महीन जाल तक बढ़ जाती है। (बी) अन्य सभी ऑपरेटिंग मापदंडों को स्थिर रखकर विभिन्न जाल आकारों पर एमसीएफ 7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं की छंटाई। ठीक और महीन जाल आकार छंटाई के लिए सबसे अच्छे परिणाम उत्पन्न करते हैं। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्रा 4: सेल स्थिरीकरण और यादृच्छिक वितरण परीक्षण। सेल स्थिरीकरण पर डीईपी बल के प्रभाव को मान्य करने के लिए 10 KHz और 6 MHz के बीच आवृत्तियों के लिए सिमुलेशन किया गया। (ए) एफ = 10 किलोहर्ट्ज पर, कोई छंटाई और सेल स्थिरीकरण नहीं देखा जाता है। (बी) एफ = 200 किलोहर्ट्ज पर, कोई छंटाई और सेल स्थिरीकरण नहीं देखा जाता है। (C) f = 0.8 MHz पर, आउटलेट की दीवारों पर छंटाई और सेल स्थिरीकरण देखा जाता है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्रा 5: यादृच्छिक वितरण। चिप के इनलेट पर यादृच्छिक रूप से वितरित कण। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक तालिका 1: विभिन्न डीईपी-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक सॉर्टिंग उपकरणों की तुलना। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को पहले सेल कल्चर, ट्रैपिंग औरसॉर्टिंग 47,52,53 के लिए रिपोर्ट किया गया है। क्लीनरूम में इन उपकरणों का निर्माण एक महंगी प्रक्रिया है, और सीएफडी सिमुलेशन के माध्यम से प्रस्तावित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के उत्पादन और दक्षता को निर्धारित करना अनिवार्य है। यह अध्ययन गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) के निरंतर पृथक्करण के लिए एक एसी-डायफोरफोरेटिक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के डिजाइन और सिमुलेशन को प्रस्तुत करताहै।

डिवाइस को उनके ढांकता हुआ गुणों के आधार पर एमसीएफ -7 और एमसीएफ -10 ए कोशिकाओं को अलग करने के लिए एकल माइक्रोफ्लुइडिक सॉर्टिंग चैनल में एम्बेडेड दो माइक्रोइलेक्ट्रोड के एक सेट के माध्यम से एसी इलेक्ट्रिक फील्ड लागू करके संचालित किया जाता है। डिवाइस की पृथक्करण प्रभावकारिता को कम्प्यूटेशनल रूप से मध्यम चालकता के विभिन्न मूल्यों और लागू एसी आवृत्तियों की एक श्रृंखला के लिए अनुकरण किया गया था। इष्टतम लागू एसी आवृत्ति और मीडिया चालकता मान क्रमशः 0.8 मेगाहर्ट्ज और 0.4 एस / एम पाए गए। सिमुलेशन के दौरान 1.5 वीपी-पी के कम वोल्टेज का उपयोग किया गया था। लागू एसी आवृत्ति सीमा और लागू वोल्टेज पहले रिपोर्ट किए गए साहित्य 23,47 के बराबर हैं। 1 मेगाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों पर, सेल स्थिरीकरण प्रभाव देखा गया था, जिसे भविष्य के डिवाइस डिजाइन और निर्माण के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए। हम इस सेल स्थिरीकरण को सेल सॉर्टिंग अनुप्रयोगों के संदर्भ में हमारी विधि की सीमा के रूप में सूचीबद्ध करते हैं। हमारा मानना है कि उच्च आवृत्तियों पर सेल स्थिरीकरण का उपयोग सेल भेदभाव के लिए किया जा सकता है जैसा कि पहले साहित्य54 में बताया गया था, जिससे इस प्रस्तावित डिजाइन को एक नई दिशा मिलती है। यह आवेदन सिंथेटिक जीव विज्ञान में शोधकर्ताओं के लिए बहुत रुचि होगी।

इस प्रोटोकॉल के सही कार्यान्वयन के लिए महत्वपूर्ण चरणों में उपयुक्त भौतिकी नोड्स और उप-नोड्स (चरण 1.5-1.9) की पसंद शामिल है। ये चरण पूरे सिमुलेशन प्रोटोकॉल का आधार बनाते हैं और प्रत्येक सेल प्रकार, लागू बल और लागू वोल्टेज के लिए पैरामीटर मानों को चुनने में मदद करते हैं। एक और महत्वपूर्ण कदम सही द्रव मध्यम चालकता और लागू आवृत्ति चुनना है। यह पैरामीट्रिक स्वीप के समस्या निवारण चरण को चलाकर प्राप्त किया जा सकता है। इन दो मापदंडों का पैरामीट्रिक स्वीप किसी भी भविष्य के सिमुलेशन के लिए इष्टतम मूल्यों को तय करने में सहायता कर सकता है। अंत में, भविष्य के सिमुलेशन के लिए सही जाल आकार चुनने के संदर्भ में एक जाल स्वतंत्रता अध्ययन भी महत्वपूर्ण है। यह अत्यधिक अनुशंसा की जाती है कि भविष्य के सिमुलेशन को अंतिम रूप देने से पहले एक जाल स्वतंत्रता अध्ययन एक समस्या निवारण चरण के रूप में किया जाता है।

यह अध्ययन गैर-मेटास्टैटिक स्तन कैंसर कोशिकाओं (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर स्तन उपकला कोशिकाओं (एमसीएफ -10 ए) के इनलाइन पृथक्करण का पहला सिमुलेशन-आधारित उदाहरण प्रदान करता है। हमारा मानना है कि इस डिजाइन को व्यवहार्य और गैर-व्यवहार्य सेल सॉर्टिंग के लिए आगे लागू किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखक ों ने हितों के किसी संभावित टकराव की घोषणा नहीं की है।

Acknowledgments

इस अध्ययन को पाकिस्तान के उच्च शिक्षा आयोग द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
COMSOL COMSOL multiphysics simulation software

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इंजीनियरिंग अंक 186
एसी डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग करके गैर-मेटास्टैटिक (एमसीएफ -7) और गैर-ट्यूमर (एमसीएफ -10 ए) स्तन कैंसर कोशिकाओं के पृथक्करण के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस
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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).

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